T.C. NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

YÜKSEK LİSANS TEZİ E. POŞLUK, 2012 NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ T.C. NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA-İSTANBUL HIZLI TREN PROJESİ 26 NOLU TÜNELİN TBM KAZI PERFORMANSININ Q TBM METODU İLE TAHMİNİ EVREN POŞLUK Ağustos 2012

T.C. NİĞDE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA-İSTANBUL HIZLI TREN PROJESİ 26 NOLU TÜNELİN TBM KAZI PERFORMANSININ Q TBM METODU İLE TAHMİNİ EVREN POŞLUK Yüksek Lisans Tezi Danışman Yrd. Doç. Dr. Mustafa KORKANÇ Ağustos 2012

TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin bilimsel ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. EVREN POŞLUK

ÖZET ANKARA-İSTANBUL HIZLI TREN PROJESİ 26 NOLU TÜNELİN TBM KAZI PERFORMANSININ Q TBM METODU İLE TAHMİNİ POŞLUK, Evren Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman :Yrd. Doç. Dr. Mustafa KORKANÇ Ağustos 2012, 85 sayfa Ankara-İstanbul Yüksek Hızlı Tren Projesi, oldukça engebeli bir topografyadan geçmektedir. Hızlı demiryolu projelerinde sınırlı eğim ve kurp töleransları nedeni ile güzergah çalışmalarında tünel çözümlerine başvurulmaktadır. Bilecik ile Bozüyük istasyonları arasında kalan 26 nolu tünel, grafit şistler içerisinde NATM (Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi) ile Eylül - Ekim 2009 tarihinde giriş portalından açılmaya başlanmıştır. Bu kısımda 298 metre toplam ilerleme yapılmış olup ortalama ilerleme 2,0 metre/gün dür. Tünelin açıldığı kesimde yerel kaya koşullarının benzer davranışlar göstermesi nedeniyle bu ilerleme hızının değişmeyeceği öngörülmüştür. Aynı hızla ve aynı yöntemle açılması planlanan 6100 metre uzunluğundaki 26 nolu tünelin tamamlanması için gereken süre, 1525 gün olarak hesaplanmıştır. Bu süreye tünelin kemer betonunun imalatı dahil edilmemiş olup, eklendiğinde bu sürenin 200 gün kadar daha artacağı belirlenmiştir. Böylece projenin öngörülen sürede bitmeyeceğinin anlaşılması yanında, tünel güzergahının jeolojik-jeoteknik özellikleri nedeniyle mevcut tünelin NATM ile açılması durumunda, tünel imalat maliyetinin de öngörülenden daha fazla olacağı anlaşılmıştır. Tünelin imalat süresinin ve maliyetinin planlanandan fazla olması nedeniyle, tünel kazı sisteminin tam dairesel kesitli tünel açma makinesi (TBM) ile açılmasının daha uygun olacağına karar verilmiştir. Bu çalışmada, Tünel inşasını yapacak olan S627 ürün kodlu TBM in 26 nolu tünel profilini oluşturan yerel kaya koşullarından faydalanılarak TBM kazı performansının iii

önceden tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla Q TBM yöntemi kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda ilerleme hızının 8,35 m/saat, anlık ilerleme hızının ise 0,75 m/saat olacağı hesaplanmıştır. Böylelikle ideal koşullarda tünel imalatının 1 yıl içerisinde tamamlanması öngörülmüştür. Anahtar sözcükler: Yüksek Hızlı Tren, Tünel, İlerleme Hızı, TBM Performansı, Q TBM iv

SUMMARY PERFORMANCE ESTIMATION OF TBM EXCAVATION FOR TUNNEL NO 26 BY USING Q TBM METHOD IN ANKARA-ISTANBUL HIGH SPEED RAILWAY PROJECT POŞLUK, EVREN Nigde University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Geological Engineering Supervisor : Assistant Professor Dr. Mustafa KORKANÇ August 2012, 85 pages Ankara-İstanbul High-Speed Train Project passes through a rough topography. For high-speed railroad projects, because of the limited slope and curve tolerances the tunnels are prefered in the route studies. The excavation of Tunnel 26 located in graphitic schists between Bilecik and Bozüyük stations was started from entrance portal with NATM (New Austrian Tunnelling Method) in September- October 2009. The total progress is 298 meters in this part and average tunnelling progress rate is 2,0 m/day. Depending on the same local rock conditions along the tunnel route, it is provided that this progress rate won t be changed. The required time to complete the 6100 m-long Tunnel 26 was calculated as 1525 days. The manufacturing of the tunnel arch concrete wasn t added to this time. It is determined that after adding this time will be increased 200 days. Since therefore it is understood that the project won t be completed in the foreseen time and because of the geologic-geotechnic properties of the tunnel route in case of excavating with NATM the tunnel manufacturing cost will be more than foreseen. Hence it is decided to excavate tunnel excavation system with the tunnel boring machine (TBM). v

The aim of this study is to estimate the TBM excavation performance by utilizing the local rock conditions forming the tunnel profile 26 of TBM having product id S-627. For this purpose, Q TBM method has been used. As a result of the calculation, the progress rate is 8,35 m/hour and instant progress rate is 0,75 m/hour. Thus in the optimum conditions it is predicted that the tunnel manufacturing will be completed in a year. Keywords: High-Speed Train, Tunnel, Progress Rate, TBM Performance, Q TBM vi

ÖN SÖZ Bu çalışma, Ankara-İstanbul Yüksek Hızlı Tren Projesinde bulunan 6100 metre uzunluğundaki 26 nolu tünelin inşasını yapacak olan S627 ürün kodlu TBM in tünel profilini oluşturan yerel kaya koşullarından faydalanılarak TBM kazı performansının önceden tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla Q TBM yöntemi kullanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda ilerleme hızının 8,35 m/saat, anlık ilerleme hızının ise 0,75 m/saat olacağı hesaplanmıştır. Böylelikle ideal koşullarda tünel imalatının 1 yıl içerisinde tamamlanması öngörülmüştür. Çalışmalarım sırasında bana yol gösteren değerli danışmanım Yrd. Doç. Dr. Mustafa KORKANÇ a, meslektaşlarım ve arkadaşlarım Jeo. Yük. Müh. Altay ERTİN ile Jeo. Müh. Eren ARICA ya katkı ve desteklerinden dolayı teşekkür ederim. Çalışmalarımda arşivlerini kullanma izni veren, benim de üyesi bulunduğum TCDD 2. Demiryolu Yapım Grup Müdürlüğü personeline desteklerinden dolayı teşekkür ederim. Bilimsel çalışmalarım sırasında beni yüreklendiren, tüm çalışmalarımı bitmek bilmeyen bir heycanla paylaşan, aynı meslekte olmaktan gurur duyduğum eşim Jeo. Müh. Elif APAYDIN POŞLUK a teşekkür ederim. Son olarak bana her zaman destek olan, evlatları olmaktan onur duyduğum anne ve babama, hep yanımda olan kardeşime desteklerinden dolayı sonsuz teşekkürlerimi sunarım. vii

İÇİNDEKİLER ÖZET... iii SUMMARY... v İÇİNDEKİLER... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... xi ŞEKİLLER DİZİNİ... xii FOTOĞRAFLAR DİZİNİ... xiii BÖLÜM I... 1 GİRİŞ... 1 1.1 Çalışmanın Amacı... 5 1.2 Ankara İstanbul Yüksek Hızlı Tren Projesinin Tanıtımı... 6 1.3 Haritalama Çalışmaları ve Veri Derleme Çalışmaları... 7 1.4 İnceleme Alanının Tanıtılması... 7 1.4.1 Coğrafi konum ve morfoloji... 8 1.4.2 İklim ve bitki örtüsü... 9 1.4.3 Ulaşım... 10 1.4.4 Ekonomi... 10 1.5 Önceki Çalışmalar... 10 1.5.1 Araştırma alanı ile ilgili çalışmalar... 11 1.5.2 Araştırma konusu ile ilgili çalışmalar... 12 BÖLÜM II... 14 METARYAL VE METOT... 14 2.1 Metot... 14 2.1.1. Klasik kazı yöntemi... 14 2.1.2. Mekanize kazı yöntemi... 15 2.1.3. Kazı yöntemi seçimi... 15 2.2. Tünel Makineleri... 16 viii

2.2.1. Kısmi kesitli tünel açma makineleri... 17 2.2.1.1. Kollu tünel açma makineleri... 17 2.2.1.2. Kalkanlı tünel makineleri... 19 2.2.2. Tam kesitli tünel açma makineleri (TBM)... 20 2.2.2.1 Tünel açma makinelerinin temel ilkeleri... 20 2.2.2.2 Tünel açma makine tipleri... 20 2.2.2.2.1 Kalkansız tünel açma makineleri (Gripper)... 21 2.2.2.2.2 Tek kalkanlı tünel açma makineleri... 22 2.2.2.2.3 Çift kalkanlı tünel açma makineleri... 23 2.2.2.2.3 Çevre basıncı dengeleme makineleri (EPB)... 25 2.2.2.2.4 Çamur Kalkanlı... 26 2.3 26 nolu Tünelde Kullanılan TBM (S-627) Özellikleri... 27 BÖLÜM III... 32 BULGULAR... 32 3.1 Bölgesel Jeoloji... 32 3.2 Çalışma Alanının Jeolojisi... 34 3.3 Yapısal Jeoloji... 35 3.4 Depremsellik... 36 3.5 Hidrojeoloji... 37 BÖLÜM IV... 38 MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ... 38 4.1 Giriş... 38 4.1.1 Mühendislik jeolojisi haritalaması çalışmaları... 38 4.1.2 Sondaj çalışmaları... 38 4.1.3 Laboratuvar deneyleri... 40 4.2 Kaya Kütlelerinin Mühendislik Özellikleri... 40 4.3. Kaya Kütle Sınıflama Sistemleri... 44 ix

4.3.1 Q sınıflandırma sistemi... 46 4.4. Tünel Açma Makinesi (TBM) Performans Analizi... 53 4.4.1 Q TBM Yöntemi... 55 4.4.1.1 Yönlendirilmiş kaya kalite indisi (RQD o )... 56 4.4.1.2 Q sistem değişkenleri (J n, J r, J a, J w ve SRF)... 57 4.4.1.3 SIGMA (Kaya kütle dayanımı)... 57 4.4.1.4 Her bir kesiciye gelen itme kuvveti (F)... 57 4.4.1.5 Kesici ömrü (CLI)... 58 4.4.1.6 Kuvars yüzdesi (q)... 59 4.4.1.7 Biaksial gerilme (σ θ )... 59 BÖLÜM V... 61 TÜNEL AÇMA MAKİNESİ PERFORMANS TAHMİNİ... 61 5.1 26 nolu Tünel Q TBM ve Performans Hesapları... 61 5.1.1 Kısım 1 (Km: 216+560 ile 218+710 Arası)... 61 5.1.2 Kısım 2 (KM:218+710 ile 218+760 Arası)... 64 5.1.3 Kısım 3 (Km:218+760 ile 219+310 Arası)... 65 5.1.4 Kısım 4 (Km:219+310 ile 220+300 Arası)... 67 5.1.5 Kısım 5 (Km: 220+300 ile 220+795 Arası)... 69 5.1.6 Kısım 6 (Km: 220+795 ile 221+545 Arası)... 70 5.1.7 Kısım 7 (Km: 221+545 ile 221+765 Arası)... 72 5.2 Tünel Performans Analizi... 74 BÖLÜM 6... 76 SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 76 KAYNAKLAR... 78 EKLER... 86 ÖZ GEÇMİŞ... 101 TEZ ÇALIŞMASINDAN ÜRETİLEN ESERLER... 102 x

ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1. Yeni Avusturya tünel inşa metodunun tarihsel gelişimi... 3 Çizelge 1.2 Ankara-İstanbul yüksek hızlı tren projesi ikinci etap mühendislik yapıları.. 7 Çizelge 2.1. S-627 tünel açma makinesi genel özellikleri.... 28 Çizelge 4.1. Tünel güzergahında açılan araştırma sondajlarına ait özet bilgiler... 39 Çizelge 4.2. Yapılan deneyler ve deney yapılan örnek sayıları... 40 Çizelge 4.3. Kayaçların ayrışma derecesi.... 41 Çizelge 4.4. Süreksizlik yüzeylerinin tek eksenli basınç direnci ve arazi tanımlamalarına göre sınıflandırılması... 42 Çizelge 4.5. 26 nolu tünelinin bölümlere ayrılmış güzergah kesimleri... 43 Çizelge 4.6. Günümüze kadar önerilen başlıca kaya sınıflama sistemleri... 44 Çizelge 4.7. Değişik koşullara göre RQD değerleri... 47 Çizelge 4.8. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem takımı tayin değerleri... 48 Çizelge 4.9. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem pürüzlülük sayısı değerleri. 49 Çizelge 4.10. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem alterasyon sayısı değerleri 50 Çizelge 4.11. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem suyu azaltma faktörü değerleri... 50 Çizelge 4.12. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan gerilme azaltma faktörü değerleri 51 Çizelge 4.13. Farklı yeraltı kazısı türleri için orijinal ve güncellenmiş ESR değerleri.. 52 Çizelge 4.14. Kaya kütle sınıflamalarına göre TBM performans modelleri... 54 Çizelge 5.1. Kısım1 için Qo değerleri... 62 Çizelge 5.2. Kısım 2 için Qo değerleri... 64 Çizelge 5.3. Kısım 3 için Qo değerleri... 66 Çizelge 5.4. Kısım 4 için Qo değerler... 67 Çizelge 5.5. Kısım 5 için Qo değerler... 69 Çizelge 5.6. Kısım 6 için Qo değerler... 71 Çizelge 5.7. Kısım 7 için Qo değer tablosu... 72 Çizelge 5.8. Farklı kesimlere göre TBM performansı zaman hesaplamaları... 74 xi

ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1. Eski Avusturya tünel açma yöntemi kazı aşamaları... 2 Şekil 1.2. Maus (1846) tarafından tasarlanan tünel makinesi... 3 Şekil 1.3. İlk tünel açma makinesi... 4 Şekil 1.4. Çalışma alanının yer bulduru haritası... 9 Şekil 2.1. Tünel uzunluğuna göre mekanize kazı ve delme patlatma yöntemi ile tünel açılmasının karşılaştırılması... 16 Şekil 2.2. Tünel Makineleri ve çeşitleri... 17 Şekil 2.3. Kollu tünel açma makinesi ve parçaları... 18 Şekil 2.4. Tünel açma makinesi temel unsurları... 20 Şekil 2.5. Segment ve yerleşim şekli... 22 Şekil 2.6. Tek kalkanlı tünel açma makinesi ve parçaları... 23 Şekil 2.7. Çift kalkanlı tünel açma makinesi ve parçaları... 24 Şekil 2.8. EPB tip Tünel Açma Makinesi kesit görünümü.... 26 Şekil 2.9. Çamur tip tünel açma makinesi ve parçaları... 27 Şekil 3.1. Türkiye sütur zonları ve çalışma alanı... 32 Şekil 3.2. Çalışma alanının bölgesel jeolojik yapı içindeki konumu... 33 Şekil 3.3. Bilecik ili depremselliği... 36 Şekil 4.1. Q ve eşdeğer boyut arasındaki ilişki... 53 Şekil 4.2. Aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü başlangıç değerini (m) Q değerinin fonksiyonu olarak gösteren tablo... 56 Şekil 4.3. Kesici ömrü tahmin abağı... 58 Şekil 5.1. TBM için göreceli hızlar... 74 xii

FOTOĞRAFLAR DİZİNİ Fotoğraf 1.1. Lötschberg tüneli güney rampasındaki ahşap destek... 2 Fotoğraf 1.2. a) İlk modern tünel açma makinesi, b) İlk modern gripper tünel açma makinesi... 5 Fotoğraf 2.1. Klasik kazı yöntemlerinin uygulamada görünümü a) hidrolik kırıcı, b) patlatma deliklerinin doldurulma aşaması.... 14 Fotoğraf 2.2. Kollu tünel açma makine tipleri... 18 Fotoğraf 2.3. Kalkan ve Roadheder ın görünümü... 19 Fotoğraf 2.4. Portal (kısmi) kesitli tünel açma makinesi... 19 Fotoğraf 2.5. Kalkansız tünel açma makinesi... 22 Fotoğraf 2.6. Herrenknecht marka S-627 model tünel açma makinesi... 27 Fotoğraf 4.1. Grafit şistlerden bir görünüm... 42 Fotoğraf 4.2. Klorit şist grafit şist sınırı... 43 xiii

SİMGE VE KISALTMALAR Simgeler Β γ σ σ θ m 1 D e q I 50 Açıklama Tünel profili ile tünel ekseni arasındaki açı Birim hacim ağırlık Basınç direnci Biaksial gerilme Aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü başlangıç değeri Eşdeğer boyut Kuvars yüzdesi Nokta yük indeksi Kısaltmalar AR CLI F GSI ISRM Ja Jn Jr Jv Jw Km knm kw M m mm MPa n PR Açıklama Günlük ilerleme Kesici ömrü Herbir kesiciye gelen itme kuvveti Jeolojik dayanım indeksi Uluslararası kaya mekaniği derneği Eklem ayrışma sayısı Eklem takımı sayısı Eklem pürüzlülük sayısı m 3 teki toplam eklem sayısı Eklem suyu indirgeme sayısı Kilometre Kilonivtonmetre Kilovat Metre Aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü milimetre Mega paskal porozite Anlık ilerleme xiv

Q RMI RMR RQD RQD o SIGMA SRF T TBM UCS Kaya kütle kalitesi Kaya kütlesi indeksi Kaya kütlesi sınıflaması Kaya kalite indisi Yönlendirilmiş kaya kalite indisi Kaya kütle dayanımı Gerilme indirgeme faktörüdür Süre Tünel açma makinesi Tek eksenli basınç direnci xv

BÖLÜM I GİRİŞ Tüneller, ekseninin eğim açısı 30 den küçük olan, iki ucu açık ve boyuna göre çapı çok küçük olan yeraltı kaya yapılarıdır (Köse vd., 2007). Bu gün kullandığımız Tünel kelimesi İngiltere'nin Galler Bölgesinde konuşulan Gal dilinden gelmektedir. Gallar bölgesinde sıvı maddelerin taşınmada kullanılan, ince uzun, iki ucu kapatılmış, tahtadan kaplara Tonne adı verilmekteydi. Daha sonraları ise mahzen ve bodrum gibi yerleşim yerlerine bu ad verilmiş ve 19. yüzyılın ikinci yarısından sonra yaygınlaşarak tünel kelimesi bugünkü anlamıyla kullanılmaya başlanmıştır (Köse vd., 2007). Tüneller amaçlarına göre ulaşım ve akışkan nakli için yapılabilir. Yeryüzünde ilk tünelin M.Ö. 4000 li yıllarında, Babil şehri civarlarında Fırat Nehri altında açıldığı ve uzunluğunun 1 km olduğu bilinmektedir. Tüneller, kazı yüzeyi altında odun yakılarak ısıtılan kayaca, su, sirke veya su sirke karışımı atılarak parçalanma ve dağılmaları sağlanarak açılmaya çalışılmıştır. 1679 da barutun keşfinden sonra ise, kayaları parçalayarak tünel açma yöntemi gelişmiştir. 19. yüzyıla kadar tüneller çoğunlukla savaştan kaçma, korunma veya Osmanlı da lağımcı birliklerinin yaptığı şekli ile düşmana zarar verme amacı ile kullanılırken, 1765-1774 yıllarında Strazburg- Nevtor da inşa edilen trafik amaçlı da kullanılmaya başlanmıştır (Şeker, 2008). 19. yüzyılda tünelcilik gelişmeye başlamış ve imalatta farklı yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler uygulandıkları ülkenin adı ile anılmaya başlanmıştır. Alman (1803), Belçika (1828), İngiliz (1830), Eski Avusturya (1839) (Şekil 1.1.), Amerika (1854) ve İtalyan (1865) tünel açma yöntemlerinin hepsinde geçici destek (iksa) olarak ahşap, kalıcı destek olarak ise tuğla kullanmışlardır (Vardar, 1985) (Fotoğraf 1.1.). 1

Şekil 1.1. Eski Avusturya tünel açma yöntemi kazı aşamaları (Kovari, 2003). Fotoğraf 1.1. Lötschberg tüneli güney rampasındaki ahşap destek (Whittaker ve Frith, 1990) 19. yüzyılın sonlarında fiziksel özellikleri çok daha iyi olan çelik iksaların ahşap iksaların yerini alması tünelcilikte yeni bir dönem açmıştır (Whittaker ve Frith 1990). Daha geniş açıklıklar tam kesitte açılmaya başlanmış bunun sonucunda kazı yapmak veya pasanın dışarı atılması için daha büyük makineler tünellere girmeye başlamıştır. Betonun keşfinin ardından gelişen süreçte püskürtme betonun kullanılmaya başlanması 1930 lu yılları bulmaktadır. L. V. Rabcewicz tarafından Avrupa daki tünellerde iksa olarak kullanılmaya başlanmıştır. 1963 yılında Avusturyalı bilim adamı L.V. Rabcewicz ve arkadaşları tarafından Yeni Avusturya Tünel İnşa Yöntemini dünyaya duyurulmuştur. Daha sonra Avusturyalı bilim adamları Rabcewicz, Müller, Brunner ve Pacher tarafında geliştirilmiştir (Çizelge 1.1.). 2

Çizelge 1.1. Yeni Avusturya tünel inşa metodunun tarihsel gelişimi (Whittaker ve Frith 1990) Yıl Açıklama 1848-1920 Erken priz alan harçların geliştirilmesi, püskürtme beton pompalarının patentinin alınması, İnşaat ve maden uygulamalarında kullanımıma başlanması 1948 Kontrollü kaya deformasyonu kavramının geliştirilmesi, şematik kaya Bulonu içeren kaplama sistemi Rabcewicz tarafından açıklandı 1954 Püskürtme betonunun kaplama elemanı olarak ilk olarak Avusturya daki HES projesinde Brunner tarafından kullanıldı. 1958 Brunner sıkışan zeminlerdeki tünel inşası için püskürtme beton yöntemi olarak sistemin patentini aldı. 1960 Müller tünellerde fazla kaya yüklerinin önlenmesi için yük ve deformasyon ölçümlerinin tasarımın bir parçası olması gerektiğinin farkına vardı. Sistematik ölçümün tasarımın parçası olduğu bir yöntem geliştirdi 1962 Rabcewicz ilk olarak Yeni Avusturya Tünel İnşa Yöntemi terimini Salzburg da bir toplantıda kullandı. 1964 Rabcewicz in Water Power dergisinde yayımlanan makalelerinden sonra dünya Yeni Avusturya Tünel İnşa Yöntemini kabul etti. Tasarımında Mueller ve Rabcewicz in yol göstermesiyle yöntemin uygulaması Schvvalkheim Tünelinde yapıldı 1964-... Yöntem tünelcilikte yaygınlaşarak dünya genelinde birçok tünel inşaatında kullanılmaktadır Sanayi devriminden sonra ise kazı için makine kullanım fikri geliştirilmeye başlanmış, bu amaçla 1846 yılında Belçikalı mühendis Honri Joseph Mous tarafından Tünel Makinesi geliştirilmiş ve Mount Cenis tünelinde kullanılmıştır (Maidl, 2008) (Şekil 1.2.). Şekil 1.2. Maus (1846) tarafından tasarlanan tünel makinesi (Maidl, 2008). 3

Günümüzdeki anlamıyla ilk tünel açma makinesi (TBM) atası sayılabilecek makine ise Charles Wilson tarafından 1853 yılında geliştirilmiştir. Bu makine Hoosac Tüneli inşasında kullanılmıştır (Şekil 1.3.) (Maidl, 2008). Şekil 1.3. İlk tünel açma makinesi (Maidl, 2008) Charles Wilson ın geliştirdiği makinenin ardından geçen süreçte farklı tasarımcılar tarafından farklı tünel açma makineleri tasarlanarak kullanılmıştır. Bunlara örnek olarak 1866 yılında Cook ve Hunter tarafından geliştirilen tam dairesel tünel açma makinesi, 1882 yılında Beaument ın geliştirdiği Tünel Açma Makinesi ve 1931 yılında Kranz Schmidt ve arkadaşları tarafından geliştirilen makineler söylenebilir. Ancak modern anlamda ilk tünel açma makineleri 1950 li yıllara kadar geliştirilememiştir. İlk makine 1953 yılında Robins tarafından üretilmiştir ve Oahe barajında kullanılmıştır. İlk modern anlamda Gripper ise yine Robins tarafından üretilmiş ve Humder River (Toronto/Kanada) da kullanılmıştır (Fotoğraf 1.2.) (Maidl, 2008). Tünel makinelerinin uzun mesafeli kazılarda diğer yöntemlere göre daha ekonomik ve hızlı sonuçlar vermesi, tünel açma makinelerinin daha hızlı gelişmesini sağlamıştır. 4

Fotoğraf 1.2. a) İlk modern tünel açma makinesi, b) İlk modern gripper tünel açma makinesi (Maidl, 2008) Ülkemizdeki tünelcilik ise, özellikle su getirmek için açılmış uzun tüneller ve galeriler ile başlamıştır. Anadolu da ve İstanbul civarlarında su getirmek amacı ile tarihi dönemlerden bu zamana kadar yapılmış galeri ve tüneller vardır. Silifkenin Kuzeydoğusunda milattan önce 300 lü yıllarda yapıldığı söylenen 0.80 x 1.50 2.00 m çapında ve 45 km uzunluğundaki Aksıfat galerisinden bugün de köylerde su iletmede faydalanılmaktadır (Erguvanlı, 1984). 1.1 Çalışmanın Amacı Bu çalışmada ülkemizin önemli projelerinden biri olan Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesi nde bulunan 5374 metrelik 26 nolu tünel ile sözü edilen tünelin devamında bulunan jetgrout yöntemi ile tünel profili güçlendirilen 726 metrelik kısımı içeren 6100 metre uzunluğundaki tüneli konu almaktadır. Tamamlandığında toplam uzunluğu 6100 metre olacak olan tünel aynı zamanda ülkemizin en uzun ulaşım tüneli olma özelliğinide taşıyacaktır. 26 nolu tünel kazısına klasik kazı yöntemi (NATM) kullanılarak Ekim 2009 tarihinde başlanmıştır. Ancak tünel imalatı sırasında yaşanılan sorunlar neticesinde tam kesit tünel açma makinesi ile devam edilmesi düşünülmeye başlanmıştır. Tünel imalatının yapıldığı 298 metrelik kısmında ortalama günlük ilerleme hızı yaklaşık 2,0 metre olarak kayıt edilmiştir. Tünel çeperlerini oluşturan kaya koşullarının sık 5

değişkenlik gösteren jeolojik-jeoteknik özellikleri nedeniyle bu ilerleme hızının sabit kalacağı anlaşılmıştır. Kazının çıkış portalı bölgesinde de yapılacağı düşünüldüğünde günlük ilerleme hızı ortalama olarak 4 metre olarak öngörülmüştür Dolayısıyla 6100 metrelik kısmın açılması için gerekli olan süre 1525 gün olarak hesaplanmıştır. Bu süreye tünel kemer betonu dahil değildir. Bu süreye kemer beton imalatıda eklendiğinde süre 200 gün kadar daha artacaktır. Ayrıca tünel içerisinde mevcut projeye göre yapılan imalatlar sonrası deformasyonların arttığı gözlenmiş ve tünel imalatı için ön görülen destek sistemlerinde revizyona gidilmiş ve maliyet daha da artmıştır. Tüm bu nedenler ışığında tünel kazı sisteminin tam dairesel kesitli tünel açma makinesi (TBM) ile açılması uygun görülmüştür (Poşluk vd., 2011a). Bu çalışmada inşasına 7 Temmuz 2011 tarihinde TBM ile kaldığı yerden başlayan 26 nolu tünelinin jeolojik-jeoteknik yapısı ve tünel açma makinasının özellikleri karşılaştırılarak TBM performansı irdelenmiştir. TBM performansı yeni gelişen ve temel amacı günlük ve anlık ilerleme hızını hesaplamak olan Q TBM sistemi ile analiz edilmiştir. Q TBM sistemi Barton (1999) tarafından ortaya konulmuştur. 1.2 Ankara İstanbul Yüksek Hızlı Tren Projesinin Tanıtımı Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesinin amacı; ülkemizin en büyük iki kenti olan Ankara ile İstanbul arasındaki seyahat süresinin azaltılması, hızlı, konforlu ve güvenli bir ulaşım imkanı yaratılarak ulaşımdaki demiryolu payının artırılmasıdır. Ankara-İstanbul arasındaki mevcut hat toplam 576 km dir. Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesinin tamamlanması sonucunda, iki büyük kent arasında çift hatlı, elektrikli, sinyallizasyonlu ve 250 km/s hıza uygun yeni bir demiryolu inşa edilecek ve Ankara-İstanbul arası 533 km ye inecektir. Ankara-İstanbul arasında yaklaşık 7 saat olan seyahat süresi 3 saate düşecektir. Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesinin 2. etabı olan, Köseköy-İnönü arası toplam 150 km uzunluğunda olup, Kesim-1; 95 km (Köseköy-Vezirhan) ve Kesim-2; 55 km (Vezirhan-İnönü) şeklinde projelendirilmiştir (Çizelge 1.2.). 6

Çizelge 1.2 Ankara-İstanbul yüksek hızlı tren projesi ikinci etap mühendislik yapıları (Yüksel Proje, 2009) Özellik Kesim 1 Kesim 2 Toplam Uzunluk 95 km 55 km 150 km Viyadük 18 ad. (6.120 m) 13 ad. (6.582 m) 31 ad. (12.702 m) Açma Tünel 13 ad. (25.700 m) 19 ad. (27.210 m) 32 ad. (52.910 m) Aç-Kapa Tünel - 1 ad. (1.090 m) 1 ad. (1.090 m) 1.3 Haritalama Çalışmaları ve Veri Derleme Çalışmaları Çalışma sırasında, öncelikle proje alanı ve çevresinde daha önce yapılmış olan jeolojik etüt ve araştırmalardan yararlanılmıştır. Bölgenin ve çalışma alanının jeolojik durumu hakkında ön bilgi elde edildikten sonra tünel güzergahının 1/1.000 ölçekli jeoloji haritası yapılmıştır. Bu çalışma sırasında mühendislik jeolojisi hesaplarında da kullanılmak üzere; çatlaklar, şistozite düzlemleri, faylar ve konumları, paleoheyelanlar belirlenerek bu haritaya işlenmiştir. Önceki çalışmlara ek olarak yeni belirlenen tünel güzergahında güzergah jeolojisinin ortaya konulması için, TCDD tarafından açtırılan 6 adet jeoteknik etüt sondajlarından da yararlanılarak tünel boy kesiti çıkarılmıştır. Q TBM hesaplamalarında kullanılmak üzere sözü edilen sondajlardan elde edilen karotlar üzerinde yapılan deneysel çalışmalardan ve güzergah jeoloji haritasından yararlanılarak tünel farklı kısımlara bölünmüştür. 1.4 İnceleme Alanının Tanıtılması Bu bölümde yüksek hızlı demir yolu projesinin yer aldığı Bilecik ili ile Bozüyük ilçesi arasında bulunan alanın konumu, morfolojisi, iklim ve bitki örtüsü açıklanacaktır. Ayrıca inceleme alanının bulunduğu coğrafyanın ulaşım bilgileri ve ekonomisi de tanıtılmıştır. 7

1.4.1 Coğrafi konum ve morfoloji Çalışmanın yapıldığı 26 nolu tünel Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesi KM: 216+260 ile KM: 221+750 arasında bulunmaktadır (Şekil 1.4.). Güzergah 1/25.000 lik topoğrafik haritalarda Adapazarı H24-d4 paftasında yer almaktadır. Bilecik iline 10 km. mesafede bulunan çalışma alanı yakınlarında Küplü, Başköy, Kızıldamlar, Ahmetpınar, Kurtköy ve Demirköy köyleri bulunmaktadır. Çalışma alanındaki en önemli dere, bölgenin morfolojisinide oluşturan Karasu deresidir. Karasu deresinin dışında çalışma alanında irili ufaklı dereler vardır. Bu dereler; Karaman, Çapar, Yayla, Han Deren, Fındıklı, Hoşbuldu ve Şimşek dereleridir. Çalışma alanı oldukça engebeli bir topoğrafya sergilemektedir. Bu bölge içerisinde yüksekliği yaklaşık 860 metreye kadar ulaşan çok sayıda yükseltiler bulunmaktadır. Bunlardan en önemlileri; Karaağaç (569 m), Dedekaya (598 m), Gökçeüren (717 m), Palalıdedeyatırı Mevkii (766 m), Sançukuru (786 m) ve Çiftçeşme Tepeleridir (856 m) dir. 8

Şekil 1.4. Çalışma alanının yer bulduru haritası 1.4.2 İklim ve bitki örtüsü Çalışma alanındaki hakim iklim Koçman (1993) tarafından yapılmış olan iklim tipi ve ilkim bölgeleri sınıflandırmasına göre; yarı kurak İç Anadolu iklimi ile yarı nemli Marmara iklimi arasında bir geçiş bölgesinde yer almaktadır. Bölgede en yüksek sıcaklık Temmuz ayında gözlenmektedir (41,5 o ), en soğuk ay ise Şubat tır (-14,5 o ). Bölge Türkiye ortalamasının üzerinde yağış almaktadır. En çok yağış aldığı aylar Aralık ve Ocak aylarıdır, en kurak ay ise Ağustos ayıdır (www.dmi.gov.tr). Çalışma alanının, Güney Marmara nın nemli iklimi ile İç Anadolu nun kurak iklimi arasında bir geçiş sahasında yer alması, bitki örtüsünü de oldukça çeşitlendirmiştir. Bozüyük ün doğu sınırını oluşturan Söğüt ve İnönü ye doğru olan kesimlerinde 9

Antropojen Step toplulukları mevcut iken, kuzeybatısında Karasu boğazından itibaren ve batısında Aksu vadisinden itibaren meşe, gürgen ve karaçam topluluklarının bulunduğu ormanlar yer kaplamaktadır (Altaş, 2009). 1.4.3 Ulaşım Bölgede ulaşım, Bozüyük-Mekece-Adapazarı karayolundan (D650) sağlanmaktadır. Bu yol İstanbul-Kütahya- Antalya karayolu (D650) olarak da bilinmektedir. Ayrıca bu yola Bozüyük-İnegöl-Bursa (D200) karayolu bağlantısı da bulunmaktadır. Çalışma hattının batısından Ankara-İstanbul konvansiyonel demiryolu hattı da geçmektedir. 1.4.4 Ekonomi Bölge ekonomisi tarım ve sanayiye dayanmaktadır. Yetiştirilen başlıca tarım ürünleri; tahıl, şeker pancarı, ayçiçeği, mısır, patates ve şerbetçiotudur. Orman bakımından zengin olmasına karşın ormancılık fazla gelişmemiştir. Hayvancılık da bölge ekonomisinde oldukça önemli bir yer tutmaktadır. Bölgede sanayi çok gelişmiş olup başlıca sanayi kuruluşları; şofben ve radyatör fabrikaları, kağıt ve seramik fabrikaları, sıhhi tesisat malzemesi üreten fabrikalar, bisküvi fabrikası, tekstil fabrikaları, seramik fabrikaları, doğal taş fabrikaları ile kil tesisleridir. Bölgede bulunan kil, kaolin ve feldspat yatakları özel kuruluşlar tarafından işletilmekte ve seramik sektörü bölgesel sanayi açısından öne çıkmaktadır. 1.5 Önceki Çalışmalar Çalışma alanında önceden yapılmış jeolojik çalışmalar ile TBM performans tahmini konusunda yapılmış çalışmaların daha iyi anlatılabilmesi amacıyla önceki çalışmalar kısmı genel jeoloji çalışmaları ve TBM performans çalışmaları olarak iki alt başlık halinde toparlanmıştır. 10

1.5.1 Araştırma alanı ile ilgili çalışmalar Bölgedeki ilk jeoloji çalışmaları MTA Enstitüsü tarafından yaptırılan 1:500.000 (Erentöz, 1975) ve 1:100.000 (Gözler vd., 1997) ölçekli jeoloji haritalarıdır. Ayaroğlu nun (1979), Bozüyük metamorfitlerinin petrokimyasal özellikleri isimli çalışmasında, Bozüyük-Söğüt (Bilecik) yöresinde Paleozoyik oluşukları Bozüyük metamorfitleri olarak adlandırılmıştır. Çalışmanın amacına uygun olarak, bölgenin temelini oluşturan bu birimin metamorfizma derecesi ve köken kayaçları belirlenmiştir. Gözler vd. (1985), Eskişehir Ve Civarının Jeolojisi Sıcak Su Kaynakları adlı çalışmalarında Eskişehir ili çevresi ve kuzey bölümünde bulunan birimleri ayrıntılı olarak incelemişlerdir. Bölgedeki gözlenen birimleri stratigrafik olarak tanımlamışlardır. Küçükayman vd. (1987), tarafından yapılan çalışmada Bozüyük-Tavşanlı-Kütahya arasının jeoloji haritaları yapılmış ve yapısal özellikler tanımlanmıştır. Bu alandaki temeli oluşturan birimlerin iki ayrı metamorfik kuşağı oluşturduğunu, kuzeydeki metamorfiklerin düşük dereceli, güneydekilerin ise yüksek basınç metamorfizması geçirdiği ortaya konulmuştur. İnegöl-Bozüyük tektonik hattının olasılı bir sütur zonu olabileceği ve ayrıca granitik kayaçların kuzeydeki metamorfikler ile ilişkisinin intrüzif olmayıp, tektonik olduğu belirtilmiştir. Bunun yanı sıra, bölgesel yükselimin Miyosen in hemen öncesinde başlamış olduğu görüşü savunulmuştur. Koçyiğit vd. (1991), yaptıkları çalışmada İnegöl-Bozüyük-Bilecik arasında kalan bölgeyi jeolojik ve tektonik unsurlar bakımından incelemişlerdir. Yapılan bu çalışma ile bölgedeki birimler için daha önceki çalışmarda önerilen stratigrafik adlamalar stratigrafi adlama kurallarına göre yeniden düzenlenmiştir. Gözler vd. (1997), Bozüyük ün doğusunu içine alan çalışmalarında, Orta Sakarya ve güneyinin jeoloji haritaları yeniden çalışmışlardır. Bunun yanında, bölgenin jeolojik sorunları ortaya konularak çözüm getirilmeye çalışılmıştır. Bu anlamda bölgede yer alan metamorfiklerin metamorfizma koşulları ve kökenleri, granitik kayaçların oluşum şartları ve yaşları, Neojen deki detay çalışmalarla bölgedeki neotektonik rejimle ilgili önemli olaylar araştırılmıştır. 11

Tokay ve Altunel (2005), yaptıkları çalışmada, batıda İnegöl ile doğuda Tuz Gölü arasında yer alan Eskişehir fay zonunun İnönü-Dodurga segmentini incelemişlerdir. Bu çalışma ile segmentin aktif olduğu sonucuna varmışlardır. 1.5.2 Araştırma konusu ile ilgili çalışmalar Barton (2000), toplam uzunluğu 1000 kilometreyi bulan ve TBM ile açılan 145 tünelin analizi sonucu TBM performansı ile kendisi tarafından önerilen Q kaya kütle sınıflamasını ilişkilendirerek günlük ve anlık TBM ilerlemesinin tahmin edilebileceğini ortaya koymuştur. Sapigni vd. (2002), tarafından yapılan Kaya kütlesi sınıflamaları kullanılarak TBM performansı tahmini isimli çalışmalarında kuzey İtalya da metamorfik kayaçlar içerisinde açılan 14 km uzunluğundaki tünelde, farklı kaya kütle sınıflamalaları kullanılarak TBM performans modellemeleri irdelenmiştir. Bieniawski vd. (2007), tarafından yapılan çalışmada RMR kaya kütle sınıflaması ile TBM performansı ilişkilendirilmiştir. Bu amaçla RMR kaya kütle sınıflama sistemi ile oran ilerleme hız tainini amaçlayan bir formül önermişlerdir. Yağız (2007), Sert Kaya TBM lerinde performans öngörmek için kaya kütlesi özellikleri kullanılması isimli çalışmasında Amerika da bulunan 7500 metre uzunluğundaki sağlam kayada TBM ile açılan tünel verileri kullanılmıştır. Bu veriler TBM de ölçülen penetrasyon oranı ve kaya özellikleri (tek eksenli basınç direnci, Brezilyan çekme dayanımı, kırılganlık / tokluk, zayıflık düzlemleri arasındaki mesafe ve kaya kütlesi içinde süreksizliklerin yönelimi) dir. Bu veriler kullanılarak, hem TBM performansına kaya kütle özelliklerinin etkisini değerlendirilmiş hem de TBM performans tahmini için yeni bir ampirik eşitlik önerilmiştir. Gong ve Zhao (2009), tarafından yapılan çalışmada Singapurda bulunan TBM tünelleri için kayaların parçalabilirliği ile TBM performansı ilişkilendirilmeye çalışılmıştır. 12

Bunun için kayanın tek eksenli basınç direnci ve hacimsel eklem sayısı kullanılmış, sonuçlar sayısal simülasyonlar ile deneştirmeye çalışmışlardır. Hassanpour vd. (2009), yaptıkları çalışmada jeolojik ve jeoteknik bilgi ve TBM parametreleri, kullanılarak CSM, NTNU ve QTBM yöntemleri ile tahmin modelleri kullanılarak tahmin edilen makine performansı ile gerçekleşen ilerlemeler karşılaştırılmıştır. Ayrıca, kaya kütle özellikleri, TBM performans parametreleri ile korelasyonu sonucunda ampirik yöntemler geliştirmişlerdir. Hamidi vd. (2010), tarafından İran ın batısında bulunan Zagros tünelini inceleyerek yaptıkları RMR sistemini kullanarak sert kaya TBM performansı tahmini isimli çalışmalarında RMR sistemi ile daha önceden yapılan TBM performans analizi çalışmalarını irdelemişlerdir. Daha sonra elde ettikleri verilerle (RMR) sistemi kullanılarak TBM performans için uygun bir ampirik öngörü modeli oluşturmuşlardır. Caner (2010), Sıkışan zeminlerde tam cepheli tunel acma makinelerinin performans analizi ve Uluabat kuvvet tuneli örneği isimli çalışmasında grafit şistler içerisinde açılan tünelde yaşanan sorunlar ve bu sorunlar ile TBM performansı ilişkisini irdelemiştir. 13

BÖLÜM II METARYAL VE METOT 2.1 Metot Tünel ve galeri imalatında kazı en önemli aşamalardan biridir. Kazının yapılış şekli, kullanılan malzeme kazıyı etkilemekte bu da süre kazancı ya da kaybı olarak geri dönmektedir. Tünelcilik ve yeraltı madenciliğinde edinilen tecrübelerle geliştirilen yöntemler, kazı ve ardından yapılacak desteklemeler üzerine kurulmuştur. Günümüzde kazı işlemleri klasik kazı ve mekanize kazı olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır. 2.1.1. Klasik kazı yöntemi Klasik kazı yöntemleri, ilk tünelcilik uygulamalarından beri kullanılan yöntemlerdir. Bu kazı yönteminde insan gücü, hidrolik kırıcılar, delme-patlatma vb. yöntemleriyle kazılmak istenilen kazı ortamının (kayaç ortamının) parçalanarak kazılması işlemi olarak tanımlanabilir. Bu işlem sırasında kazılan kayaç ortamına bağlı olarak kas gücü, hidrolik kırıcılar, delgi yapan araçlar, yükleme yapan araçlar, çeşitli patlayıcılar kullanılmaktadır (Fotoğraf 2.1.). a b Fotoğraf 2.1. Klasik kazı yöntemlerinin uygulamada görünümü a) hidrolik kırıcı, b) patlatma deliklerinin doldurulma aşaması. 14

2.1.2. Mekanize kazı yöntemi Mekanize kazı, sanayi devriminin ardından gelişen bir yöntemdir. Klasik yöntemin aksine daha az kas gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Mekanize kazı yöntemi, kazıyı kolaylaştırmayı ve kazı süresini kısaltmayı amaçlayan bir yöntemdir. Bu yöntemde kazılmak istenen kayaç ortamı makineler aracılığı ile kazılmaktadır. 2.1.3. Kazı yöntemi seçimi Tünel imalatında kazı yöntemi seçimi beraberinde avantajlar ve dezavantajlar getirir. Temelde kazı yöntemi seçilirken tünelin uzunluğu, ekonomik koşullar, jeolojik koşullar ve çevre etkileri dikkatle göz önüne alınmalıdır. Mekanize kazı yöntemlerinin delme-patlatma yöntemlerine göre üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir (Bilgin, 1989); Yeryüzü tasmanlar daha azdır, İşçi sayısı daha azdır, Kazı profili sabittir ve profil düzeninin oluşturulması kolaydır, Pasa boyutu sabit ve kolaydır, Havalandırma ihtiyacı daha azdır, Devamlı kazı yapılabilmektedir. Bu avantajlarının yanında mekanize kazı yöntemlerinin bazı dezavantajları da vardır. Bunlar: İlk yatırım maliyetlerinin yüksek olması, Montaj ve demontaj sürelerinin uzun olması, Kalifiye eleman ihtiyacı, Makine temin süresidir. Bütün bu avantaj ve dezavantajlar göz önüne alındığında, uzun tünellerde tam cepheli ya da kısmi cepheli tünel açma makinelerinin kullanılması, maliyet açısından daha uygun olduğu belirlenmiştir (Pakes, 1991) (Şekil 2.1.). 15

Şekil 2.1. Tünel uzunluğuna göre mekanize kazı ve delme patlatma yöntemi ile tünel açılmasının karşılaştırılması (Pakes, 1991). 2.2. Tünel Makineleri Charles Wilson tarafından 1853 yılında geliştirilen tünel açma makinesinden sonra çok büyük yol kat edemeyen tünel açma makineleri, 1950 li yılların başında ilgi görmeye başlamıştır. James Robbins in kalem uçlu keskiler yerine döner diskli keskilerin kullanılması fikriyle birlikte 1956 yılında Toronto daki bir uygulamada 38 m lik ilerleme sağlanmıştır. Bu uygulama ile TBM lerin yumuşak ve orta sert kayaçlarda ekonomik olarak kullanılabileceği gerçeğini ortaya koymuştur (Maidl vd., 2008). İlerleyen yıllarda tünel açma makinelerine ilgi giderek arttırmıştır. Bunun sonucu olarak mekanize kazıda kullanılan makinelerin çeşitleri ihtiyaca göre geliştirilmeye başlanmıştır. Şekil 2.2. de bu makineler ve çeşitleri Alman Tünel Komitesi sınıflamasına göre gösterilmiştir. 16

Şekil 2.2. Tünel Makineleri ve çeşitleri (Maidl vd., 2008) 2.2.1. Kısmi kesitli tünel açma makineleri Bu tip tünel makineleri kazı yüzeyinin tamamında aynı anda kazı yapılmadığından dolayı bu ismi almaktadırlar. Bu makineler genellikle yumuşak ve orta-sert olan kayaçların kazısında kullanılır. Madencilikte üretim amaçlı, tünelcilik sektöründe ise kazı amaçlı kullanılmaktadır. 2.2.1.1. Kollu tünel açma makineleri Bu makineler Macaristan da 1950 de ilk olarak kömür ocaklarında kullanılmalarının ardından büyük teknolojik gelişmelere uğramışlardır. Masif formasyonlarda üst kullanım sınırı 500 kg/cm 2 iken bugün bu sınır 900 kg/cm 2 ye kadar çıkmıştır, kırıklı ve çatlaklı formasyonlarda ise 1500-1600 kg/cm 2 'ye kadar basınç dayanımına sahip kayaçlar ekonomik olarak kazılabilmektedir (Bilgin, 1989). 17

Bir kollu makine 5 ana bölümden oluşur, bum ünitesi, yürüyüş ünitesi, malzeme yükleme ünitesi, malzeme aktarma ünitesi, hidrolik ve elektrik ünitesi (Şekil 2.3). Şekil 2.3. Kollu tünel açma makinesi ve parçaları (Bilgin, 1989) Kollu tünel açma makineleri ağırlıklarına ve kesici kafa tiplerine göre sınıflandırılmaktadır. Kesici kafanın, kazı yüzeyine dik veya paralel hareket etmesi kazı verimini önemli ölçüde etkiler. Tambur şeklindeki kazıcı kafalar (kazı yüzeyine dik hareket), spiral (arma paralel hareket) şekilde tasarımlandırmış kesici kafalara nazaran sert formasyonlarda daha verimli kazı yapabilmektedir (Bilgin, 1989). Fotoğraf 2.2. de kollu kazı makine tipleri gösterilmektedir. Fotoğraf 2.2. Kollu tünel açma makine tipleri 18

2.2.1.2. Kalkanlı tünel makineleri Kalkanlar makine etrafında kazı alanını korumak amacıyla kullanılan çelik borulardır. Zayıf kayalarda ve zeminlerde kullanılmaktadırlar (Kolymbos, 2005). Kalkanın içerisinde kazı yapan kesiciler bulunur ve kazı yapıldıkça kalkan kazı yapılan yere doğru itilir. Tam dairesel kesitte kazı yapılan türleri olduğu gibi kısmı kesitte kazı yapan türleri de vardır. Fotoğraf 2.3. Kalkan ve Roadheder ın görünümü (Kolymbos, 2005) Fotoğraf 2.4. Portal (kısmi) kesitli tünel açma makinesi (Lunardi, 2008) 19

2.2.2. Tam kesitli tünel açma makineleri (TBM) Bu tür makineler kazı alanının tamamında kazı yapmaktadırlar. Geçtiğimiz 50 yılda İhtiyaç doğrultusunda hızla gelişmekte olan TBM ler bu gün 10 cm çapından 19 metre çapına kadar her boyda üretilmekte, sert kayaçtan zemine kadar hemen hemen her türlü ortamda ilerlemektedir. 2.2.2.1 Tünel açma makinelerinin temel ilkeleri Tünel açma makineleri temel unsurları kesici kafa, itme silindirleri, yönlendirme silindirleri, kesici kafayı döndüren motorlar, beton tahkimat elemanlarını yerleştiren erektörlerden oluşur. Tünel açma makinelerinin destek donanımlarına back-up sistemleri adı verilir, bu kısımda hidrolik güç üniteleri, elektrik trafoları, tavan cıvataları için delici, havalandırma fanları, pasa nakliyatı için bant konveyör ve vagonlar bulunmaktadır (Caner, 2010) (Şekil 2.4.). Şekil 2.4. Tünel açma makinesi temel unsurları (Maidl vd., 2008) (1-Delme sistemi, 2- İtki sistemi, 3-Pasa taşıma sistemi,4- Destek sistemi). 2.2.2.2 Tünel açma makine tipleri Tam cephe tünel açma makineleri aynayı tamamen keskileri ile kavrar ve kazı yapar. Kazma işleminin gerçekleşmesi için iki önemli kuvvet vardır. Kesici kafanın aynaya doğru itilmesi ve bu itilme sırasında kafanın dönmeye başlaması kazı olayını 20

gerçekleştirir. Aynadan kazılan malzeme kesici kafa üzerinde bulunan kanatçıklar tarafından kesici kafa arkasındaki hazneye aktarılır. Hazne içerisinde bulunan konveyör bant çıkan pasanın nakliyatını yapmaktadır. Tünel açma makinelerinde kesilecek formasyona göre kesici kafa dizaynları ve kullanılan keskiler değişmektedir. Genel olarak yumuşak formasyonlarda riper dişler, kale keskiler kullanılır. Kompleks zeminlerde ise kesici kafa hem riperler hem de disk keskilerden oluşur. Disk keskiler olası sert damarlı kayaları kesmek için kesici kafa üzerine yerleştirilmiştir. Sert zeminlerde ise kesici kafada sadece disk keskiler bulunmaktadır. Tünel açma makinelerinin özellikle çalıştığı ortam koşullarına ve kazı yüzeyinin açık kapalı olma durumuna göre sınıflandırılırlar (Şekil 2.2.). 2.2.2.2.1 Kalkansız tünel açma makineleri (Gripper) Sert ve kendini tutabilen zeminlerde açık (kalkansız) tünel açma makineleri tercih edilmektedir. Bu tip tünel açma makineleri ile kazı devam ederken tahkimat arka kısımda yapılmaktadır. İlerleme yapılırken itme gücü; hidrolik tırnakların yandaki sağlam zemine basınç yapıp iyice sıkıştırılmasından sonra en önde bulunan ve kazıyı yapan kısmın ileri doğru hidrolik pistonlar vasıtası ile itilmesiyle sağlanmaktadır. Her kazı aşaması hidrolik pistonların uzunluğu kadar yapılabilmektedir. Kazı işlemi bittikten sonra yan kısımlarda bulunan ve tırnak görevi gören pistonlar boşaltılmakta daha sonra arka kısım, ön kısıma doğru çekilir ve tırnaklar tekrar sabitlenmektedir. Bu işlemlerden sonra bir sonraki kazı işlemi başlatılmaktadır. Tahkimat sistemi ise önde kazı devam ederken arka kısımda yapılır (Fotoğraf 2.5.). Burada önemli olan kayanın kendini tutabilecek ve itme silindirlerinin yapmış olduğu basınca dayanabilecek ölçüde olması gerekmektedir. 21

Fotoğraf 2.5. Kalkansız tünel açma makinesi 2.2.2.2.2 Tek kalkanlı tünel açma makineleri Tek kalkanlı tünel açma makinelerinde tam daire şeklinde çelik kalkan bulunmaktadır. Yumuşak zeminlerde, kompleks zeminlerde ve kaya içerisinde açılacak tünellerde kullanılabilirler. Tahkimat olarak beton prekast segmentler kullanılmaktadır (Şekil 2.5.). Şekil 2.5. Segment ve yerleşim şekli (Lunardi, 2008) 22

Şekil 2.6. Tek kalkanlı tünel açma makinesi ve parçaları (Caner, 2010) (1-kesici kafa, 2- kazı bölmesi, 3-basınç bölümü, 4-itme silindirleri, 5-burgu konveyör, 6-erektör, 7- prekast beton segmentleridir). Tek kalkanlı tünel açma makineleri kazı adımları (Caner, 2010); 1. İtme silindirleri segmentlere dayanarak kafayı ileri doğru iter. Bu durumda kafa hem aynaya doğru ilerlemekte hem de dönmektedir. Bu şekilde kazı yapılmaktadır. Kazıdan çıkan pasa burgu konveyör ile aktarılıp atılmaktadır. 2. Bir adımlık kazı tamamlanmış, silindirler tamamen açılmış ve kafa dönüş işlemi durdurulmuştur. 3. İtme silindirleri kısım kısım kapatılır ve prekast segmentler yerleştirilir. 4. Segmentlerin arka kısmına su-çimento-kum enjekte edilip tahkimat tamamlanır. 5. Silindirler son yerleştirilen segmentlere dayanır ve TBM kazıya hazır hale getirilir. 2.2.2.2.3 Çift kalkanlı tünel açma makineleri Bu tür tünel açma makineleri teknolojik olarak en donanımlı makine türlerindendir. Bu tipteki tünel açma makineleri pek çok jeolojik koşullara kolaylıkla adapte edilebilmektedir. Çift kalkanlı tünel açma makineleri özellikle fay zonlarının bulunduğu sert kaya koşulları altında inşa edilen uzun tünellerin kazılmasında kullanılmaktadır (Caner, 2010). Çift kalkanlı makinelerde hem tek kalkanlı olarak hem de teleskopik olarak ana kalkanın içine uzanabilen kuyruk tarafındaki ikinci kalkan bir kavrayıcı (gripper) düzeneği ile kullanmak mümkündür. Bu tür yapının avantajı sabit kuyruk şildinde 23

kaplama işi ile kavrayıcıları iterek yapılacak açma işlerinin aynı anda gerçekleştirilmesine imkan sağlayan iyi arazi şartlarında çalıştığı zaman ortaya çıkmaktadır. Bu makineler sert ve kompleks zeminlerde kullanılabilmektedir (Şekil 2.7.). Şekil 2.7. Çift kalkanlı tünel açma makinesi ve parçaları (Caner, 2010) (1- kalkan, 2- kesici kafa, 3-tırnak (gripper), 4-itki pistonları, 5-prekast segment) Çift kalkanlı tünel açma makinelerinin gelişmesi 1980 li yıllarda olmuştur. Ön kalkan kepçe tasarımı geliştirilmiş, keski ve kepçeler kırıklı arazide çalışırken görebilecekleri hasara karşı korunmuşlardır. 7-14 MPa basınç direncine sahip yumuşak tüflerde geniş aralıklı disk kesiciler kullanılmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Çift şiltli TBM ler tek kalkanlı gibi kullanılabilmektedir. Bu durumda; 1. Aşama: Kavrayıcılar kapalı durumundadır. Çift kalkanlı TBM in tek kalkanlı gibi kullanımında kavrayıcı ve ana itme silindirleri kullanılmaz. İkincil itme silindirleri beton segmentlere dayanarak kesici kafayı aynaya doğru iter ve kafa dönmeye başlar. 2. Aşama: Kazı bitmiş itme silindirleri tamamen açılmış ve kesici kafa durdurulmuştur. 3. Aşama: İkincil itme silindirleri kapatılır ve erektör yardımı ile segmentler yerleştirilmektedir. 4. Aşama: İkincil silindirler segmentlere dayanmış ve TBM kazı için hazır konuma gelmiştir. 24

Klasik çift kalkanlı çalışma düzeninde ise; 1. Aşama: Kavrayıcılar açılmış ve TBM sabitlenmiştir. Ana itme silindirleri kesici kafayı aynaya doğru iter ve kesici kafa dönmeye başlar. 2. Aşama: TBM kazı yaparken erektör segmentleri yerleştirilir. 3. Aşama: Ana itme silindirleri tam olarak açılmış ve kazı bitmiştir. Kavrayıcılar kapatılır ve ikincil itme silindirleri segmentlere dayanarak kavrayıcı şildini kapatırlar. Bu çalışma düzeninin en büyük avantajı kazı yapılırken aynı anda segmentlerin yerleştirilebilmesidir. Bu şekilde zamandan tasarruf edilir ve daha verimli çalışmak mümkün olur (Caner, 2010). 2.2.2.2.3 Çevre basıncı dengeleme makineleri (EPB) Çevre basınçlarını dengeleme esasına göre çalışan EPB makineleri ilk olarak Japonya da 1960-70 li yıllarda görülmeye başlamıştır. Yapışkan olmayan ortamlarda ve yeraltı su seviyesi altında bulunan zeminlerde ilerlemeler sırasında stabilite kaybı kaçınılmazdır. Genellikle bu gibi alanlarda kendini kısa süreli bile tutamayan kayaçların kazısında bu makineden faydalanılmaktadır. Temel çalışma prensibi su gelirini veya arazi akmasını kontrol etmek amacıyla ayna boşluğunun kapalı bir hacim haline getirilerek basınç altında tutulması, bizzat arazi içindeki su basıncı etkisiyle, kesme kafası ve ayna boşluğunda doğal bir basıncın oluşmasına imkan verilmesi diye tanımlanmaktadır (Çınar ve Feridunoğlu, 2010). EPB makinesi çok sert kayaçlardan (diskli) çok yumuşak olanlarına (kalem keskili) kadar, değişik kayaç ve zemin ortamlarında kullanılmak üzere tasarlanmaktadır. Bir EPB makinesinde kazılan malzeme bir burgu konveyör vasıtası ile kesici kafa haznesinden çıkarılmaktadır. Dengeli ve güvenli bir kazı yapabilmek için malzeme çıkış hızının makine ilerleme hızına eşit olması gerekmektedir (Einstein ve Bobet, 1997). EPB makinesinin kazı anında çalışma aşamaları da şu şekilde gerçekleşmektedir. EPB makinesinde öncelikle kesici kafanın döndürme motorları ile döndürülmesi ve kesici kafaya ittirme silindirleri ile araziyi destekleyecek kadar ya da biraz daha fazla kuvvet verilmesiyle akıcı zemin kazı haznesine dolmaya başlamaktadır. Kazı haznesi tamamen 25

dolduktan sonra istenilen destekleme ortamı yaratılır ve kazılan malzeme burgu konveyör yardımıyla normal basınçtaki bölgeye alınmaya başlanır. Burada burgu konveyörün en önemli görevi aynada oluşturulan basıncın kademeli olarak düşürülmesi ve normal basınca indirilerek düzenli bir malzeme çıkışının sağlanmasıdır. Burgu konveyörün çıkış kapısından bant konveyöre boşalan malzeme kuyruk bölümde bekleyen vagonlara ulaşır ve buradan da kuyu ağzına taşınmaktadır (Şekil 2.8.) (Yavaş, 2008). Şekil 2.8. EPB tip tünel açma makinesi kesit görünümü (www.herrenknecht.com). 2.2.2.2.4 Çamur Kalkanlı Bu tip makineler, arazinin çok akıcı olduğu veya tünel güzergâhı boyunca akıcı formasyonlara da rastlanabileceği durumlar için yapılmışlardır. Makine, değişken devirli tam cephe kesme kafasına sahip, astarlara dayanarak itmek suretiyle kuvvet oluştururlar. Genel olarak kalem keskiler kullanılmakla birlikte, bazen disk keskilerle birlikte kullanıla bilmektedir. Makine kalem keskili tam cephe şilt tipinden "daima basınç altındaki kafa ile çalışıyor" olma özelliğiyle anılmaktadır (Doğruoğlu, 2009). Akıcı çamur (genellikle bentonit) ayna ile kesme kafası arasındaki boşluğa pompalanmaktadır. Bu sıvı aynadan sıyrılarak kazılıp çıkarılan malzeme ile karışmakta ve bu karışım bir çamur pompası ile geri tarafa alınıp yeryüzüne pompalanmaktadır. 26

Yeryüzünde süzülüp temizlenen sıvı, yeniden devreye sokularak kullanılmaktadır (Doğruoğlu, 2009) (Şekil 2.9.). Şekil 2.9. Çamur tip tünel açma makinesi ve parçaları (1-kesici kafa, 2-slury çamuru, 3- hava boşluğu (kabarcığı), 4-itki ünitesi, 5-segmentler, 6-fırça (kuyrukta sızdırmazlık), 7- slury çamuru besleme ünitesi, 8-slury tahliye, 9-enjeksiyon) (http://www.p3planningengineer.com/productivity/tunneling/tunneling.htm) 2.3 26 nolu Tünelde Kullanılan TBM (S-627) Özellikleri 26 nolu tünelde, Herrenknecht marka S-627 model numarasına sahip tam dairesel kazı yapan tünel açma makinesi kullanılmaktadır. Makine sağlam kaya makinesi olup, tek kalkanlıdır. Kesici kafa dizaynı miks (sağlam ve yumuşak kayada kazı yapmaya uygun) özelliktedir (Fotoğraf 2.6.). Herrenknecht marka S-627 model TBM in özellikleri Çizelge 2.1 de verilmiştir. Fotoğraf 2.6. Herrenknecht marka S-627 model tünel açma makinesi 27

Çizelge 2.1. S-627 tünel açma makinesi genel özellikleri. SEGMENT KAPLAMA Tipi Dış Çapı İç Çapı Segment Uzunluğu Segment Kalınlığı Mühürlü universal halka segment 13.400 mm 12.500 mm 2,000 mm 450 mm Toplam Segment Sayısı 7 + 1 KALKAN Kalkan tipi Tek kalkanlı Ön Kalkan Ön kalkan çapı Delgi noktaları Delgi portları 13.700 mm 7 x üst kısmı eğimli 2 x yatay Orta Kalkan Orta kalkan çapı 13.680 mm Kuyruk Kısmı Tipi Çap Kalınlık Çimento şerbeti enjeksiyonu Sızdırmazlık sistemi Fix, kaynaklı 13.660 mm Yaklaşık 60 mm Çimento şerbeti ve piriz hızlandırıcı için 8 hat 1 sıra tel fırça conta Dış plakalar Kuyruk kısmının gerisinde 1 adet, 270 BURGU KONVEYÖR Tipi Hızı Burgu konveyör çapı Hidrolik 0-24 rpm 1.400 mm 28

Çizelge 2.1. S-627 tünel açma makinesi genel özellikleri (devamı) KESİCİ KAFA Tipi Miks yüzeyli kesici kafa (5 parçalı dizayn) Çap 13.750 mm Merkez aralığı 90 mm Yüzeyden mesafe 100 mm kesici disk 76 ad. Merkezdeki disklerde maksimum tork 250 kn Maksimum merkezdeki itme kuvveti 10000 kn Yumuşak zemin aparatları sayısı 122 ad. Kova sayısı 16 ad. Kesici Kafa Mafsal Birleşim tipi eksenel rulman Silindir miktarı 9 No. Tipi Tek jak İTME SİLİNDİRLERİ Miktarı 15x2 Boyutu 320 x 260 mm Hareket 2,800 mm İtki kuvveti 84.464 kn-96.509 kn İlerleme hızı 60 mm/min Geri çekim hızı 1,600 mm/min SEGMENT BESLEYİCİ HAT Adet 1 Kapasite 7 segment+1 kilit segment Segment taşıma Vakumlu tutma düzeneği MALZEME TAHLİYE Kapasite 1.950 ton/saat BANT KONVEYÖR Sürücü Elektrik Bant genişliği 1,200 mm Hız 0-2.5 m/s KURULU GÜÇ Toplam kurulu güç 7.457 kw 29

2.2 Metot Tez kapsamında yapılacak çalışmalar için gerekli olan verilerin en önemli kaynağını sondaj verileri oluşturmuştur. Sondajlardan alınan örneklerin değerlendirilmesi ile ortamın jeolojik özellikleri, tünel güzergahının jeomekanik özellikleri, arazi ve laboratuvar çalışmaları ile ortaya konulmuştur. Bu çalışmalar sonucunda, tünelde karşılaşılacak birimlerin yapısal özellikleri ve bileşimleri tanımlanmıştır. Hızlı tren güzergah çalışması sırasında Yüksel Proje Uluslar Arası A.Ş. (2004) tarafından bölgede jeoteknik etüt amaçlı sondaj çalışmaları yapılmış ardından 26 nolu tünel güzergahı değiştirilmiş, SİAL Yerbilimleri LTD. ŞTİ. (2009) tarafından 6 adet yeni sondaja ait sondaj derinliği, YAS derinliği ve etkileri, litoloji kalınlığı gibi bilgilerin işlendiği sondaj logları (Ek A) ve bu sondajlardan alınan karot numunelerinden birimlerin jeomekanik özelliklerine yönelik deney sonuçlarını içermektedir (Ek B-1, Ek B-2). 2.2.1 Büro çalışmaları Büro çalışmaları kapsamında ilk aşamada tez çalışmaları için gerekli olan literatür taraması yapılarak, TBM performans analizi üzerine yapılmış olan araştırmalar ile tünel güzergahınının bulunduğu bölgenin jeolojisine yönelik çalışmalar derlenmiştir. İkinci aşamada arazi ve laboratuvar çalışmaları sonrasında elde edilen veriler değerlendirilerek tünel güzergahının geçtiği yerel kaya koşulları anlaşılmaya çalışılmıştır. Elde edilen veriler ile Q TBM yöntemi kullanılarak TBM performansı tahmin edilmeye çalışılmıştır. 2.2.2 Arazi çalışmaları Arazi çalışmaları sırasında inceleme alanının 1/1.000 ölçekli mühendislik jeolojisi haritası hazırlanarak 1/1.000 ölçekli enine kesiti çıkarılmıştır (Ek C-1, Ek C-2). Rotary yönetmi ile 23 ila 195 metre arasında değişen sondaj kuyuları açılmıştır. Ayrıca sondaj esnasında alınan karot numuneleri üzerinde laboratuvar deneyleri yapılmıştır. 30

2.2.3 Laboratuvar çalışmaları Laboratuvar çalışmalarını; inceleme alanında yapılan sondajlardan ve yüzeyden alınan örselenmiş (SPT) ve/veya örselenmemiş örnekler üzerinde laboratuvarda yapılan zemin mekaniği deneyleri aşamasında yapılan çalışmalar oluşturmuştur. Örselenmiş ve/veya örselenmemiş numunelerden uygun olanlarından sınıflama, fiziksel ve mekanik özelliklerin laboratuvarda, Atterberg limitleri (likit limit, plastik limit ve plastisite inidisi), elek analizi, serbest basınç deneyi ile üç eksenli basınç deneyleri yapılmış olup, elde edilen sonuçlar, Ek B-1 de sunulmuştur. Alınan korunmuş karot numuneleri üzerinde kaya mekaniği deneyleri yapılarak kaya kütlesinin jeomekanik özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla tek eksenli basınç dayanımı, üç eksenli basınç dayanımı, nokta yükleme deneyi, elastisite modülü ve poisson oranı, deneyleri yapılmıştır. 31

BÖLÜM III BULGULAR Ülkemizin kuzeybatı bölümünde yer alan çalışma alanı, tektonostratigrafik yapıözellikleri açısından kuzeyden güneye doğru İstanbul Zonu, Intra Pontide Suturu ve güneyinde, İzmir - Ankara Suturu birliklerini içerir. İnceleme alanı Sakarya Zonu içinde bulunmaktadır (Şekil 3.1.). Şekil 3.1. Türkiye sütur zonları ve çalışma alanı (Okay ve Tüysüz, 1999). Bu alana daha yakından bakıldığında, kuzeyde KAF güneyde Eskişehir fay zonu arasında kalan Sakarya kıtası nın temel kaya birimleri ile üzerinde uyumsuz Mesozoyik-Senozoyik yaşlı örtü birimlerin geldiği görülmektedir. 3.1 Bölgesel Jeoloji Farklı stratigrafik özellik ve metamorfizma etkisi ile farklı grup adları altında incelenen Karakaya Karmaşığı nın oluşturduğu temel üzerinde Jura ile başlayan sedimanter istiflenme ve üzerine uyumsuz gelen komşu diğer Kratese yaşlı istiflerden çok farklı- 32

ayrı olan ve Bolu güneyinde Göynük-Mudurnu-Nallıhan arasında izlenen bölgesel jeoloji söz konusudur (Şekil 3.2.). Şekil 3.2. Çalışma alanının bölgesel jeolojik yapı içindeki konumu (Yılmaz vd., 1997). Bölgenin temelini genel anlamda Karakaya Karmaşığı olarak tanımlanmış metamorfik birimler oluşturmaktadır. Çalışma alanının yakın kuzey kesimlerinde yüzeyleyen bu oluşuklar biribirleri ile uyumsuz ve çoğunlukla tektonik dokanaklı olarak, altta Uludağ Grubu (Paleozoyik-Triyas) ve üstünde ise Yenişehir Grubu (Triyas) metamorfik istiflenmeleridir (Yılmaz vd., 1997). Bu temel birimler üzerine (olasılıkla açılı uyumsuz çünkü tabanı tektonik olduğundan görülemez), inceleme alanının yakın kuzey doğu kesiminde karbonat platform çökelleri şeklindeki Mudurnu formasyonu (Jura) gelir. Bu oluşuklar üzerine uyumlu ancak genelde metamorfik temel üzerine açılı uyumsuzluk ile gelen Jura(?)-Alt Kretase yaşlı karbonat platformu çökellerinin (bölgenin genelinde Bayırköy formasyonu, Bilecik kireçtaşı ve Soğucak formasyonu olarak tanımlanmış) yakın çevrede yaygın izlendikleri bilinir (Yılmaz vd., 1997). 33

İstiflenmenin üste doğru açık denizel-türbiditik kırıntılılara (genelde fliş karakterli, kumtaşı ve kırıntılı kireçtaşı-marn-karbonatlı çamurtaşları) geçtiği ve oldukça geniş alanlarda görülen Üst Kretase oluşuklar (Vezirhan formasyonu ve Gölpazarı Grup adları ile tanımlanmış) ile devam ettiği görülür. Diğer bir ifadeyle pelajik karbonat oluşumları üste doğru türbiditik kırıntılı-karbonat ardalanması şeklinde gelişerek üste doğru siyah renkli laminalı çamurtaşları ve kırmızı tabakalar şeklindeki karbonatlar ile son bulur (Yılmaz vd., 1997). Bu oluşuklar üzerine uyumlu olarak karbonatlı birimler ile ardışımlı farklı kırıntılı fasiyeslerden kurulu sığlaşan denizel-kıyı ortamsal koşullarda depolanmış Üst Kretase- Paleosen(?) yaşlı istiflenme gelmektedir ve bunun da üstüne uyumlu olarak kırmızı rengi ile çok karakteristik karasal çökeller (örgülü akarsu) şeklindeki Paleosen yaşlı (Kızılçay formasyonu) ve Eosen yaşlı genelde gölsel kireçtaşları (Geçitli formasyonu) istiflenmeler gelişmiştir (Yılmaz vd., 1997). Volkanik etkinliğin özellikle Üst Kretase-Paleosen(?) sonunda ve Eosen geçişinde çok etkin olduğu (tabakalı bazik volkanik ve tüfitler) sürecin bazen etkinlik kazanarak Pliyosen e kadar istifleri kesen andezit, bazalt ve istifler içinde ara düzeyler şeklindeki aglomera tüf-tüfit ve obsidiyen varlığından anlaşılmaktadır (Yılmaz vd., 1997). 3.2 Çalışma Alanının Jeolojisi Çalışmanın yapıldığı tünel güzergahı boyunca, Paleozoyik yaşlı Pazarcık Karmaşığı (Koçyiğit vd., 1991) gözlenmektedir. Birim, Bilecik ile Bozüyük arasında yüzeylemekte ve bindirmeli yapı sunan çok değişik kaya türleri ile temsil edilmektedir. Birim, üstte Triyas yaşlı Karakaya Grubu ile aşınımlı ve yer yer faylı, Bayırköy Formasyonu ile aşınımlı dokanak ilişkisi sunmaktadır. Birim genelde, yeşilşist fasiyesi koşullarında metomorfizma geçirmiş ve yapısal olarak üst üste gelmiş değişik kalınlıktaki kayaçlardan oluşmaktadır. Yaygın olarak yüzeyleyen şistler içinde kumtaşları, mermerler, migmatit-gnays, granodiyorit mega bloklar olarak yer almaktadır. Birim, Bozüyük granitoyidinin kuvars ve aplitik daykları tarafından kesilmektedir. KM:216+260 ile KM:220+300 arasında rastlanan temel birim grafit şisttir. Grafit şistler, siyah - koyu gri - yeşilimsi koyu gri renkli, belirgin şistoziteli, parçalı, orta - çok 34

ayrışmış, zayıf - orta dayanımlıdır. Şistozite düzlemleri boyunca kolaylıkla ayrılabilen grafit şistler içerisinde birkaç 10.00 metre çapında mermer bloklarına ve 2.00 metre kalınlığına varan kuvars damarlarının yanında mega bloklar halinde mika şistlere de rastlanmaktadır. KM:220+300 ile KM: 221+750 arasında ise klorit şiste rastlanmaktadır. Klorit şistler, açık yeşil-grimsi yeşil renktedir. Şistozite düzlemleri grafit şistlere nazaran daha az belirgindir. Çoğunlukla sert-orta sert dayanımlı, az-orta derece ayrışmış bir yapı gösterirler. Az çatlaklı, çatlaklar kuvars dolguludur. Tünel güzergahının jeoloji haritası ve boyuna kesiti Ek-A ve Ek-B de sunulmuştur. 3.3 Yapısal Jeoloji Mekece-Bozüyük arasında yer alan bölgesel ölçekli uyumsuzluklar, Skitiyen- Ladiniyen yaşlı Karakaya Grubu ile temeli oluşturan Permiyen öncesi Pazarcık Karmaşığının metamorfitleri arasında, Erken-Orta Liyas yaşlı Bayırköy Formasyonu nun tabanında ve tavanında (açısal uyumsuzluk) görülür (Koçyiğit vd., 1991). Bunların dışında platform karbonatlarından oluşan Kalloviyen-Hotiriviyen yaşlı Bilecik Formasyonu ile Apsiyen- Erken Maastiştiyen yaşlı pelajik özellikli Soğukçam Kireçtaşı arasında kısa süreli bir zaman boşluğu gözlenir (Koçyiğit vd., 1991). Bölgedeki diğer önemli bir uyumsuzluk Orta-Geç Miyosen yaşlı Porsuk Formasyonu nun tabanında görülür. Bozüyük civarında Porsuk Formasyonu Bozüyük granitoyidini uyumsuzlukla üzerler. Ayrıca yatay konumdaki Erken Pleyistosen yaşlı eski alüvyon ile kıvrımlanmış Porsuk Formasyonu ve Akpınar Kireçtaşı arasında bir açısal uyumsuzluk mevcuttur. Gerek Armutlu Yarımadası nda gerekse Sakarya Zonu nda yüzeyleyen ve temeli oluşturan metamorfik kayalarda, birincil tabakalanmaya paralel olarak gelişmiş veya kesen yapraklanma ve dilinim gözlenmektedir. Bölgede yüzeyleyen Pliyosen öncesi birimler yoğun olarak kıvrımlanmıştır. Yeğince kıvrılmanmış olan en yaşlı birimlerden ilki Pazarcık Karmaşığıdır. Kıvrımlar mikroskopik boyuttan birkaç kilometre uzunluğa, açık kıvrımlardan mezoskopik ölçekli kapalı-dik, kutu, açılı, yatık kıvrımlar şeklinde gözlenir. Bayırköy Formasyonu, Bilecik Kireçtaşı da kıvrımlanma gösteren birimlerdendir. Kıvrımların yoğun biçimde gelişmiş olduğu en genç birim Orta-Geç Miyosen yaşlı Porsuk Formasyonu ile Akpınar Kireçtaşıdır. Bu kıvrımlar genel olarak açık-kapalı ve simetrik-asimetrik senklinal ve antiklinallerden oluşur. Güzergah 35

boyunca sık olarak rastlanamamasına rağmen, bölgesel olarak sürüklenim fayları genellikle Pazarcık Karmaşığı nın içinde ve onunla faylı dokanağa sahip birimler arasında gelişmiştir. Pazarcık Karmaşığı, yeşilşist fasiyesi koşullarında başkalaşım geçirmiş başlıca okyanus tabanı ve etkin kıta kenarı kaya topluluklarından oluşur. Bu topluluklar gerek kendi aralarında gerekse daha genç birimlerle bindirme zonları içinde yer alırlar (SİAL, 2009). 3.4 Depremsellik Türkiye Deprem Bölgeleri haritasına göre 26 nolu tünel güzergahı ve civarı 2. derece deprem bölgesinde yeralmaktadır. Afet İşleri Genel Müdürlüğü tarafından hazırlanan depremsellik haritasında proje sahası 1. ve 2. Derece deprem bölgesinde yer almaktadır (Şekil 3.3.). Şekil 3.3. Bilecik ili depremselliği (www.deprem.gov.tr) 36

3.5 Hidrojeoloji Kapukaya mevkii nden başlayan 26 nolu tünel Ahmetpınarı Köyü nün altından geçip Balaban tepesinin güneyinde son bulmaktadır. Tünel güzergahı çoğunlukla Karasu deresine paralel gitmektedir. Karasu deresi, Çırgır, Serçe ve Ballıkaya dereleri gibi civardaki irili ufaklı dereler vastası ile mevsimlik sular taşınmaktadır. Grafit ve klorit şistler içerisinde açılacak olan tünelde, sondaj verilerinden yola çıkılarak (Çizelge 3.1.) örtü kalınlığının yüksek olduğu yerlerde su geliri beklenmemektedir. Bununla birlikte fay zonlarında ve örtü kalınlığının düşük olduğu çıkış portalına doğru olan kesimlerde su sızıntıları beklenmektedir. Yine çıkış portalına doğru tünel güzergahı dere yatağının altından geçmektedir. Klorit şist ağırlıklı bu kesimde süreksizlikler boyunca tünel içerisine su geliri muhtemeldir. Yağışlı dönemde fay zonlarında ve km:219+500 den çıkış portalına kadar olan kesimde tünel içerisine su geliri artabilileceği düşünülmektedir. Çizelge 3.1. Eski ve yeni sondaj kuyularında ölçülen yeraltısuyu seviyeleri NO SONDAJ NO KİLOMETRE Y X KOT (m) DERİNLİK (m) YASS (m) 1 216+840 216+840 4435458 502313 551,17 70,00 2 217+340 217+340 4434964 502389 648,83 165,00 3 217+660 217+660 4434647 502434 690,67 195,00 4 218+660 218+660 4433650 502531 703,85 190,00 5 EKS-51 219+329 4432996 5022477 584,32 65,00 1,40 6 219+760 219+760 4432559 502291 590,00 52,00 7 220+240 220+240 4432083 502229 599,90 51,00 8 EKS-50 220+579 4431749 502168 604,31 56,00 1,25 9 EKS-49A 221+584 4430800 501854 623,47 60,00 9,30 10 221+660 221+660 4430735 501823 603,77 28,00 11 EKS-49 221+721 4430669 501811 616,96 60,00 2,55 37

BÖLÜM IV 4.1 Giriş MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ Bu bölümde 26 nolu tünel için yapılan jeolojik - jeoteknik çalışmalar sunulduktan sonra güzergahtaki kayaçların mühendislik jeolojisine yönelik yapılan tanımlamalara yer verilmiştir. Öncelikle kaya ortamının fiziksel ve mekanik parametrelerinin belirlenmesi için bölgede yapılan sondajlara, yerinde ve laboratuvarda yapılan deney sonuçlarına değinilmiştir. Elde edilen veriler ve kazı yöntemleri göz önünde tutularak 26 nolu tünel güzergahı ve yakın dolayına ait kaya sınıflamaları yapılmış ve kazı yüzeyleri kinematik açıdan irdelenmiştir. İnceleme alanı için 1/1000 ölçekli mühendislik jeolojisi haritası yapılmıştır. Fizibilite ve kesin proje aşamasında araştırma sondajlarının sayıları arttırılmış, sondajlar sırasında yerinde deneyler ve sondajlardan alınan örneklere ait laboratuvar deneyleri yapılmıştır. 4.1.1 Mühendislik jeolojisi haritalaması çalışmaları Tünel güzergahı ve dolayının mühendislik jeolojisi haritası hazırlanırken öncelikle litolojik ayırtlama yapılarak jeolojik birimler sıralandırılmış ve 1/1000 ölçekli topografik haritaya işlenmiştir. Kaya mostralarında süreksizliklerin yönelimleri tespit edilmiş ve süreksizlik özellikleri, ISRM (1981) tarafından önerilen süreksizlik tanımlamaları temel alınarak tespit edilmiştir. 4.1.2 Sondaj çalışmaları 26 nolu tünel için ilk olarak proje aşamasında Yüksel Proje Uluslararası A.Ş. (2004) tarafından 6 adet araştırma sondajı yapılmıştır. Tünel güzergahında yaşanan heyelanın ardından heyelan etüdü için yine aynı firma tarafından 5 adet daha araştırma sondajı yapılmıştır. Tünel güzergahı, yapılan heyelan sondajlarının ardından değiştirilmiş olup, yapılan 11 adet araştırma sondajının sadece 4 tanesi tünel güzergahı içerisinde kalmıştır. 38

Ripaj hattında tünel güzergahının jeolojik-jeoteknik özelliklerini belirlemek amacı ile 6 adet daha araştırma sondajı yapılmış, yapılan bu sondajlarla tünel güzergahı ve etrafında yapılan sondaj sayısı 17 ye yükselmiştir. Sondajlar sırasında sürekli karot alınmış, yeraltısu seviyesi ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca basınçlı su testleri yapılarak ortamın permeabilitesi hesaplanmıştır. Yapılan sondajların numaraları, kilometreleri, koordinatları, kotları ve derinlikleri Çizelge 4.1. de sunulmuştur. Çizelge 4.1. Tünel güzergahında açılan araştırma sondajlarına ait özet bilgiler NO SONDAJ NO KM Y (N) X (E) KOTU (m) DERİNLİK (m) TARİH 1 216+840 216+840 4.435.458 502.313 551,17 70,00 31.03.2010 2 217+340 217+340 4.434.964 502.389 648,83 165,00 03.04.2010 3 217+660 217+660 4.434.647 502.434 690,67 195,00 24.04.2010 4 218+660 218+660 4.433.650 502.431 703,85 190,00 20.05.2010 5 EKS-51 219+329 4.432.996 502.247 584.316 65,00 28.10.2003 6 219+760 219+760 4.432.559 502.291 590,00 52,00 25.03.2010 7 220+240 220+240 4.432.083 502.229 599,9 51,00 26.03.2010 8 EKS-50 220+579 4.431.749 502.168 604.311 56,00 20.10.2003 9 EKS-49A 221+584 4.430.800 501.854 623.471 60,00 29.10.2003 10 2.211.660 221+660 4.430.735 501.823 603,77 28,00 08.04.2009 11 EKS-49 221+721 4.430.669 501.811 616.958 60,00 14.10.2003 12 221+765 221+765 4.430.633 501.780 616.112 26,00 12.04.2009 13 SK-4 221+950 4.430.529 501.745 616,40 28,00 14.12.2009 14 SK-5 222+025 4.430.181 501.652 617,50 26,00 16.12.2009 15 SK-3 222+180 4.430.278 501.570 619,95 25,00 12.12.2009 16 SK-2 222+313 4.430.316 501.495 619,75 23,00 09.12.2009 17 EKS-48 222+351 4.430.143 501.465 619,71 25,00 12.10.2003 39

4.1.3 Laboratuvar deneyleri 26 nolu tünel güzergahında fiziksel ve mekanik parametrelerin değerlendirilmesi için açılan 17 sondajdan alınan karotlar üzerinde gerekli kaya mekaniği deneyleri yapılmış ve yapılan bu deneyler aşağıda özetlenmiştir (Çizelge 4.2.) Alınan korunmuş karot numuneleri üzerinde 77 adet tek eksenli basınç dayanımı, 4 üç eksenli basınç dayanımı, 4 adet nokta yükleme deneyi yapılmıştır. Yine 77 numune üzerinde elastisite modülü ve poisson oranı, 9 numunede su içeriği, 3 numunede su emme ve 86 numunede ise birim ağırlık deneyleri yapılmıştır. Deney Adı Çizelge 4.2. Yapılan deneyler ve deney yapılan örnek sayıları Sayısı Nokta yük deneyi 4 Tek eksenli basınç deneyi 77 Kayada tek eksenli basınç deneyi ile elastisite modülü ve poisson oranı tayini Üç eksenli basma dayanımı 4 77 4.2 Kaya Kütlelerinin Mühendislik Özellikleri Bu bölümde kaya kütlelerinin mühendislik davranışlarını belirleyen süreksizlik düzlemlerinin çatlak aralıkları, açıklıkları, dolgu malzemesinin nitelikleri, pürüzlülüğü ve konumları oluşum koşulları açısından irdelenerek tünel güzergahı için kaya kütle sınıflamasına veri tabanı oluşturulmaya çalışılmıştır. İnceleme alanında 1/1000 ölçekli ayrıntılı mühendislik jeolojisi haritası yapılmış ve EK- C de sunulmuştur. Buna göre inceleme alanında yüzeylenen jeolojik birimler grafit şist, klorit şist ve alüvyondur. Araştırma sahasında bulunan şistlerde iki adet eklem takımı ve bunları dik doğrultuda kesen üçüncü bir eklem takım sistemi gelişmiştir. Bu eklem takımları ayrışma ve 40

alterasyon zonlarına göre pirit, kil, kuvars ve kalsit dolguludur. Şistlerde bulunan eklem yüzeylerinde yer yer yoğun ayrışma gelişmiştir. Süreksizlik yüzeylerinin dayanıma etkisi açısından taşıdığı önem dikkate alınarak kayaçların ayrışma derecesi tanımlanmıştır. Bu tanımlama ISRM (1981) tarafından önerilen ve arazi çalışmaları sırasında pratik olarak kullanılabilecek ayrışma sınıflamasına göre yapılmıştır (Çizelge 4.3). Çizelge 4.3. Kayaçların ayrışma derecesi (ISRM, 1981). Tanım Ayrışmamış (Taze) Az ayrışmış Orta derecede ayrışmış Yüksek derecede ayrışmış Tamamen ayrışmış Artık Zemin Tanımlama ölçütü Kayanın ayrıştığına ilişkin gözle ayırdedilebilir bir belirti olmamakla birlikte, ana süreksizlik yüzeylerinde önemsiz bir renk değişimi gözlenebilir. Kaya malzemesinde ve süreksizlik yüzeylerinde renk değişimi gözlenir. Bozunma nedeniyle tüm kayacın rengi değişmiş ve kaya taze halinden daha zayıf olabilir. Kayanın yarısından az bir kısmı toprak zemine dönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır. Kaya; taze ya da renk değişimine uğramış olup, sürekli bir kütle veya çekirdek taşı halindedir. Kayanın yarısından fazla bir kısmı toprak zemine dönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır. Kaya; taze ya da renk değişimine uğramış olup, sürekli bir kütle veya çekirdek taşı halindedir. Kayanın tümü toprak zemine dönüşerek ayrışmış ve/veya parçalanmıştır. Ancak orijinal kaya kütlesinin yapısı halen korunmaktadır. Kayanın tümü toprak zemine dönüşmüştür. Kaya kütlesinin yapısı ve dokusu kaybolmuştur. Hacım olarak büyük bir değişiklik olmakla birlikte, zemin taşınmamış tır. Ayrışma Derecesi W1 W2 W3 W4 W 5 W 5 Kayaçların dayanımının tahmin edilmesi amacıyla ISRM (1981) tarafından önerilmiş ve arazi çalışmaları sırasında pratik olarak kullanılabilecek basit deneylerden yararlanılmıştır. Bu deneyler süreksizlik yüzeylerinde veya bu yüzeyleri temsil eden kaya malzemesi üzerinde yapılabilmektedir (Çizelge 4.4.). 41

Çizelge 4.4. Süreksizlik yüzeylerinin tek eksenli basınç direnci ve arazi tanımlamalarına göre sınıflandırılması (ISRM, 1981). Dayanım Derecesi R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Tanım Aşırı derecede zayıf kaya Çok zayıf kaya Zayıf kaya Orta derecede sağlam kaya Sağlam kaya Çok sağlam kaya Aşırı derecede sağlam kaya Saha tanımlaması Kayanın yüzeyinde tırnak ile çentik oluşturulabilir Jeolog çekiciyle sert bir darbeyle ufalanan kaya, çakı ile doğranabilir. Kaya, çakı ile güçlükle doğranır. Jeolog çekici ile yapılacak sert bir darbe kayacın yüzeyinde iz bırakır. Kaya, çakı ile doğranamaz. Kaya örneği, jeolog çekici ile yapılacak tek ve sert bir darbeyle kırılabilir. Kaya örneğinin kırılabilmesi için jeolog çekici ile birden fazla darbenin uygulanması gerekir. Kaya örneğinin kırılabilmesi için jeolog çekici ile çok sayıda darbe gerekir. Kaya örneği jeolog çekici ile sadece yontulabilir. Tek eksenli basınç direnci (MPa) 0,25-1,0 1,0-5,0 5,0-25 25-50 50-100 100-250 >250 KM:216+260 ile KM:220+300 arasında açılan sondaj verileri ile arazi çalışmalarına ait bilgiler ışığında gözlenen birim grafit şisttir. Grafit şistler, siyah - koyu gri - yeşilimsi koyu gri renkli, belirgin şistoziteli, parçalı, orta - çok ayrışmış, zayıf - orta dayanımlıdır (Fotoğraf 4.1.). Fotoğraf 4.1. Grafit şistlerden bir görünüm (26 nolu tünel giriş portalı önü, Bakış yönü: K-G) 42

KM:220+300 ile KM: 221+750 arasında ise klorit şiste rastlanmaktadır. Klorit şistler, açık yeşil-grimsi yeşil renktedir. Şistozite düzlemleri grafit şistlere nazaran daha az belirgindir. Çoğunlukla sert-orta sert dayanımlı, az-orta derece ayrışmış bir yapı gösterirler. Az çatlaklı, çatlaklar kuvars dolguludur (Fotoğraf 4.2.). Fotoğraf 4.2. Klorit şist grafit şist sınırı (Bilecik-Bozüyük karayolu, Demirköy girişi, Bakış yönü: K-G) Tünel güzergahı, örtü kalınlığının değişimine bağlı olarak örtü yüksekliğinin 50 metreden az ve yüksek olduğu bölgelere göre 7 kısıma ayrılarak incelenmiştir (Ek- C-1, Çizelge 4.5). Çizelge 4.5. 26 nolu tünelinin bölümlere ayrılmış güzergah kesimleri Kısım Başlangıç Bitiş Litoloji Örtü Kalınlığı 1 216+560 218+710 Grafit şist > 50 m. 2 218+710 218+760 Fay zonu > 50 m. 3 218+760 219+310 Grafit şist > 50 m. 4 219+310 220+300 Grafit şist < 50 m. 5 220+300 220+795 Klorit şist < 50 m. 6 220+795 221+545 Klorit şist > 50 m. 7 221+545 221+765 Klorit şist < 50 m. 43

4.3. Kaya Kütle Sınıflama Sistemleri Kaya kütlelerinin sınıflandırılması kaya kütlelerinin davranışlarını ve karakterini belirlemek açısından önemlidir. Bu amaçla ilk ciddi çalışma 1946 yılında Terzahgi tarafından yapılmıştır. Günümüze kadar geçen süreçte farklı araştırmacılar tarafından farklı sınıflama sistemleri önerilmiştir (Çizelge 4.6). Çizelge 4.6. Günümüze kadar önerilen başlıca kaya sınıflama sistemleri Sınıflama Sistemi Biçim ve Tip Ana Uygulama Alanı Referans Terzaghi kaya yükleme sınıflama sistemi Laufferin desteksiz durma zamanı sınıflama sistemi Yeni Avusturya Tünel Açma Metodu (NATM) Kayanın Mekanik Özellikleri için Kaya Sınıflaması Kaya ve Zeminlerin ortak Sınıflaması Kaya kalite göstergesi (RQD) Boyut- dayanım sınıflaması Kaya yapısı derecesi (RSR) Tanımlayıcı ve davranışsal biçim Tünellerdeki çelik tahkimatların tasarımında Terzaghi, 1946 Tanımlayıcı biçim Tünel tasarımında Lauffer, 1958 Tanımlayıcı ve davranışsal biçim Tanımlayıcı biçim, genel tip Tanımlayıcı biçim Sayısal biçim Yaygın tip Sayısal biçim Fonksiyonel tip Sayısal biçim Fonksiyonel tip Yetersiz (aşırı gerilmiş) zeminlerin tasarımında ve kazıda Kaya mekaniği verileri Bağlanım için parçacıklar ve bloklara davalı Sondaj loğlarına dayalı: diğer sınıflama sistemlerinde kullanılır Kaya dayanımına ve blok çapma dayalı, çoğunlukla madencilikte Tünellerdeki çelik tahkimatların tasarımında Rabcewich, Müller, Pacher, 1958-1964 Patching ve Coates, 1968 Deere vd., 1969 Deere vd., 1967 Franklin, 1975 Wickham vd., 1972 Kaya kütle sınıflama sistemi Sayısal biçim Fonksiyonel tıp Tünel, maden ve tesislerin tasarımında Bieniawski, 1973 Q-sınıflama sistemi Basit jeoteknik sınıflama (BGD) Jeolojik dayanım indeksi Sayısal biçim Fonksiyonel tip Yer altı kazılarındaki tahkimatların tasarımında Barton vd., 1974b Tanımlayıcı biçim Yaygın uygulamalar ISRM, 1981 Sayısal biçim Fonksiyonel tip Yeraltı kazılarındaki tahkimatların tasarımında Hoek, 1994 Kaya kütle indeks sistemi (RMI) Sayısal biçim Fonksiyonel tip Genel karakterizasyon. tahkimatın tasarımı. TMB uygulamaları Palmström, 1995 44

Kaya kütle sınıflama sistemlerinde özellikle zayıf-çok zayıf kayalarda doğru sonuçlar üretmek oldukça zor ve tecrübe gerektirmektedir (Ulusay ve Sönmez, 2002). Günümüzde en çok kullanılan sistemler RMR (Bieniawski, 1989) Q (Barton, 2002), GSI (Hoek vd., 2002) ve RMI (Palmström, 1995) olarak sayılabilir. RMR Sınıflama Sistemi, ilk kez 1972-1973 yılları arasında Bieniawski (1989) tarafından geliştirilmiştir. Bieniawski nin o dönemde Güney Afrika Bilimsel ve Sanayi Araştırma Merkezi (CSIR) nde çalışıyor olması nedeniyle, adı daha sonra Kaya Kütlesi Puanlama Sistemi (Rock Mass Rating System RMR) olarak değiştirilen bu sistem uygulamacılar tarafından uzun yıllar boyunca CSIR Jeomekanik Sınıflama Sistemi olarak anılmıştır. Sistemin geliştiricisinin uyarılarına rağmen, ancak 1980 lerin sonuna doğru RMR adının kullanımı yaygınlaşmıştır. Başlangıçta bu sistem Bieniawski nin sedimanter kayalarda açılmış tünellerde yaptığı gözlemler ve bu gözlemlerden kazandığı deneyimler esas alınarak geliştirilmiştir. Sistem 1989 a kadar geçen 15 yıllık süre içinde yapılan gözlemler ve yeni veriler esas alınarak birkaç kez değişikliğe uğramıştır. 1973 ten 1989 a kadar tüneller, büyük yeraltı açıklıkları, maden işletmeleri ile ilgili toplam 351 farklı uygulamadan derlenen veriler ve kazanılan deneyimler çerçevesinde sistem son şeklini almıştır (Bieniawski, 1989). Bu sınıflamada 5 temel parametre kullanılır. Bunlar; kayanın tek eksenli basınç mukavemeti, RQD değerleri, yeraltı suyunun miktarı ve konumu, eklem sıklığı, eklem durumları, eklem yönelimidir. Buradan temel parametreler elde edilir. Daha sonra değerlendirmeler tünel, yamaç veya bir temel durumuyla ilgili olup olmamasına bağlı olarak, eklemlerin doğrultu ve eğim yönlerine göre düzeltilir (Ulusay ve Sönmez, 2002). Sistemin zaman içerisinde sık sık değişikliğe uğraması, uygulamacıların bu değişiklikleri izleyebilmelerini ve bunlara kısa sürede uyum sağlamalarını güçleştirmiştir. Bu nedenle, daha sonraki dönemlerde bile zaman zaman sistemin eski versiyonlarının kullanıldığı görülmektedir (Ulusay ve Sönmez, 2002). Q sistemi, Barton (1974) tarafından geliştirilmiştir. Sistem uzun yıllar kullanıldıktan sonra, sistemin tahkimat sistemleri seçimine yönelik bölümü, Grimstad ve Barton (1993) tarafından yeniden düzenlenmiştir. Burada RQD; boyu 100 mm den daha uzun 45

karot örneklerinin toplamının karot manevra uzunluğuna oranının yüzdesi, Jn, eklem takımı sayısı, Jr, eklem setleri ve dolgulu süreksizliklerin pürüzlülük sayısı, Ja eklem setleri veya dolgulu süreksizlikler için kil dolgusu veya ayrışma derecesi için sayı, Jw, süreksizliklerdeki dolguların yıkanmasına neden olabilecek su geliri ve su basıncına ilişkin sayı, SRF (gerilme azaltma faktörü) ise sert kayaçlarda sıkışan ve şişen kayaçlar için dayanım gerilme oranı ve faylanma için kullanılan puandır (Barton, 2002). Jeolojik dayanım indeksi (GSI) kavramı; Hoek ve Brown (1980, 1988) tarafından önerilen yenilme ölçütünde girdi parametreleri olan malzeme sabitlerinin belirlenmesinde RMR yerine kullanılması için önerilmiştir (Hoek, 1995). Özellikle eklemli kaya kütlelerinin dayanımının belirlenmesinde kullanılacak kütle sabitlerinin doğrudan deneylerlerle belirlenmesi zor olduğu için RMR ın çok zayıf kaya kütleleri için kullanımı bulunmamaktaydı. GSI ın belirlenmesi, kaya kütlesinin yapısı ve süreksizlik yüzeylerinin kalitesine bağlı oluşturulan abak kullanımı ile yapılmaktadır (Hoek, 1999). Kaya kütlesi indeksi (RMI); kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımının yaklaşık olarak tahmin edilmesinde kullanılan hacimsel parametrelerden oluşan bir indekstir. Bu indeks Palmström (1996) tarafından geliştirilmiştir. Kaya kütlesinin dayanımının ve deformasyon modülünün tahmini ve Hoek-Brown dayanım parametrelerinin hesaplanmasında eklemli kaya kütlesinden masif kaya kütlesine kadar uygulanabilmektedir. 4.3.1 Q sınıflandırma sistemi Q veya NGI (Norveç Jeoteknik Enstitüsü) sistemi olarak adlandırılan sınıflama sistemi 1972-1973 yılları arasında Barton ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. Kaya tünelcilik kalitesi olarak da adlandırılır. Kayanın 6 farklı parametresi aracılığı ile hesaplanmaktadır. Hesaplama eşitlik (4.1) bağıntısı ile tanımlamışlardır (Barton vd., 1974). (4.1) 46

Bu denklemde: RQD: Kaya kalite indisi Jn: Eklem takrnı sayısı Jr: Eklem pürüzlülük sayısı Ja: Eklem alterasyon sayısı Jw: Eklem suyu indirgeme sayısı SRF: Gerilme indirgeme faktörüdür. Bu parametreler çiftli olarak literatürde şöyle ifade edilirler: : Kaya kütlesinin yapısı ve nispi blok boyutu, : Süreksizlik yüzeyleri arası makaslama direnci, : Aktif gerilme koşulları. Hesaplanan Q değeri yardımı ile kaya sınıflandırmasına ek olarak yeraltı mühendislik yapılarında kullanılacak destekleme tipleri konusunda öneriler yapılabilmektedir. Bu sistem önceden yapılmış olan 1000 den fazla tünele ait veriler ışığında değerlendirilerek geliştirilmiştir. Olası Q değerlerinin aralığı (0.001-1000) çok sıkışabilir ortamdan, eklemsiz sağlam kayaya kadar olan kaya niteliği tanımlarını kapsamaktadır. Q değerinin hesaplanması için kullanılan 6 parametreden biri olan RQD (Kaya kalite göstergesi) değeri Deere (1964) tarafından önerilmiştir. Sondaj ile bir ilerleme aralığında doğal süreksizliklerle ayrılmış, boyu 10 cm ve daha büyük olan ve silindirik şeklini koruyan kaya türü karot parçalarının toplam uzunluğunun ilerleme aralığının uzunluğuna oranını yüzde olarak ifade eden kantitatif bir indekstir (Ulusay ve Sönmez, 2002). Değişik koşullara göre RQD nin alacağı değerler Çizelge 4.7 de verilmiştir. Çizelge 4.7. Değişik koşullara göre RQD değerleri (Barton vd., 1974 ve Barton, 2000) RQD (%) Kaya Kalite Göstergesi Tanımı 0 25 A. Çok zayıf 25 50 B. Zayıf 50 75 C. Orta 75-90 D. İyi 90 100 E. Çok iyi (mükemmel) 47

Not: (1) RQD < 10 (0 dahil) ise Q'nun hesaplanmasında RQD için 10 gibi nominal bir değer kullanılır. RQD için 100, 95, 90... vb. gibi 5 'lik aralıklar yeterlidir. Karot alınamadığı zaman RQD birim hacimdeki eklem sayısı aracılığıyla belirlenebilir. Bunun için her eklem takımının 1 m 3 teki sayısı belirlenir. Kil içermeyen kayalarda bu sayı RQD ye bağıntı 4.2 yardımı ile çevrilir: (4.2) Jv: m 3 teki toplam eklem sayısı. Eklem takımlarının sayısını belirleyen J n parametresi genellikle yapraklanma, şiştozite ve tabakalanma tarafından etkilenmektedir. Bunların belirgin şekilde ve birbirine paralel olarak gelişenleri bir eklem takımı olarak kabul edilmelidir. Fakat karotlarda bu özelliklerden dolayı yer yer çatlaklar veya az sayıda eklemler varsa, bunlar gelişigüzel eklemler olarak değerlendirilmelidir. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan parametrelerin değişik koşullara göre alacakları değerler aşağıda çizelgeler halinde sunulmuştur (Çizelge 4.8-4.12). Çizelge 4.8. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem takımı tayin değerleri(barton vd., 1974 ve Barton, 2000) Eklem Takımı Sayısı (J n ) Puan A. Masif, eklem çok az veya hiç yok 0,5-1 B. Bir eklem takımı 2 C. Bir eklem takımı ve gelişigüzel eklemler 3 D. İki eklem takımı 4 E. İki eklem takımı ve gelişigüzel eklemler 6 F. Üç eklem takımı 9 G. Üç eklem takımı ve gelişigüzel eklemler 12 H. Dört veya daha fazla eklem takımı, gelişigüzel çok fazla sayıda, küp şeker görünümünde I. Parçalanmış kaya, toprak görünümünde 20 Not: (2) Arakesitler (kesişen tüneller) için (3.0 x J n ) kullanılır. (3) Tünel girişleri için (2.0 x Jn) kullanılır. 15 48

Çizelge 4.9. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem pürüzlülük sayısı değerleri(barton vd., 1974 ve Barton, 2000) Eklem Pürüzlülük Sayısı (J r ) Puan a-süreksizlik kaya dokanağı b-10 cm lik bir makaslamadan önceki süreksizlik kaya dokanağı A. Süreksiz Eklemler 4 B. Pürüzlü veya düzensiz, dalgalı 3 C. Düz, dalgalı 2 D. Kaygan, dalgalı 1,5 E. Pürüzlü veya düzensiz, düzlemsel 1,5 F. Düz, düzlemsel 1 G. Kaygan, düzlemsel 0,5 Not: (4) Bu sıralamada tanımlamalar, küçük ve ara ölçekli özellikleri göstermektedir. c- Makaslanmış kesimde süreksizlik kaya dokanağı yok H. Süreksizlik yüzeylerinin birbirine temasını önleyecek yeterli kalınlıkta kil minerali içeren zon I. Süreksizlik yüzeylerinin birbirine temasını önleyecek yeterli kalınlıktaki, çakıllı ya da parçalanmış zon Not (5): İlgili eklem takımının ortalama aralığı 3 m den büyük ise J r ye 1,0 eklenebilir. Not (6): Çizgiselliklerin en düşük dayanımı verecek şekilde yönlenmesi koşuluyla, çizgisellik içeren düzlemsel ve kaygan süreksizlik yüzeyleri için J r =0,5 alınabilir. Not (7): J r ve J a sınıflaması, yönelim ve makaslama dayanımı (τ=σ n tan(j r /J a )) açısından duraylılık için hiç uygun olmayan eklem takımına veya süreksizliklere uygulanır. 1 1 49

Çizelge 4.10. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem alterasyon sayısı değerleri (Barton vd., 1974 ve Barton, 2000) Eklem Alterasyon Sayısı (J a ) Puan φ ( ) (a) Kaya - süreksizlik dokanağı (mineral dolgusu yok, sadece yüzey kaplaması) A. Yüzeyler sıkı, sert, yumaşamayan geçirimsiz dolgu (örn. kuvars veya epidot) B. Eklem yüzeyinde değişim yok, sadece yüzey sıvaması var 1 25-35 C. Çok az değişime (bozunmaya) uğramış süreksizlik yüzeyleri. Yumuşamayan mineral kaplamaları, kum taneleri, kil içermeyen bozunmamış kaya vb. 0,75-2 25-30 D. Siltli veya kumlu kil kaplamaları, çok az ve yumuşamayan kil içeriği 3 20-25 E. Yumuşamayan veya düşük sürtünmeye sahip kil kaplama (örn. kaolinit veya mika). Ayrıca klonit, talk, jips, grafit vd. ile az miktarda şişen killer (b) 10 cm'lik makaslamadan önceki süreksizlik kaya dokanağı (ince mineral dolguları) 4 25-30 F. Kum taneleri, kil içermeyen bozunmamış kaya vd. 4 25-30 G. Aşırı konsolide olmuş yumuşamayan kil minerali dolguları (sürekli, ancak kalınlığı <5 mm) H. Orta ve düşük derecede aşırı konsolidasyona maruz kalmış, yumuşamayan kil minerali dolguları (sürekli, ancak kalınlığı <5 mm) J. Şişen kil mineralleri - örneğin montmorillenit (sürekli, ancak kalınlığı <5 mm) J a 'nın değeri şişen kil tane boyutundaki malzemenin miktarına ve su girişine bağlı (c) Makaslama durumunda süreksizlik yüzeylerinin teması yok (kalın mineral dolguları) K, L, M. Ayrışmış veya parçalanmış kaya ve kil bantları ya da zonları (kil koşulunun tanımı için G, H ve J'ye bakınız) 6 16-24 8 12-16 8-12 6-12 6, 8 veya 8-12 N. Siltli veya kumlu kil bantları veya zonları, çok az kil (yumuşamayan) 5 - O, P, R. Kalın ve sürekli kil bantları veya zonları (kil koşulunun tanımlanması için G, H ve J'ye bakınız) 10, 13 veya 13-20 6-24 6-24 Çizelge 4.11. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan eklem suyu azaltma faktörü değerleri (Barton vd., 1974 ve Barton, 2000) Eklem Suyu Azaltma Faktörü (J w ) Su basıncı (MPa) Puan A. Kısmi kazı veya düşük su geliri (örn. genel olarak <5 l/dk.) < 0,1 1 B. Orta derecede su geliri veya basıncı, yer yer eklem dolgularının yıkanması 0,1 0,25 0,66 C. Dolgusuz eklemler içeren sağlam kayada aşırı su geliri veya yüksek basınç 0,25 1,0 0,5 D. Aşırı su geliri veya yüksek basınç, eklem dolgularının ileri derecede yıkanması 0,25 1,0 0,33 E. Çok ileri derecede su geliri veya patlatma sırasında zamanla azalan yüksek su basıncı >1,0 0,2-0,1 F. Zamanla azalmaksızın devam eden son derecede su geliri veya su basıncı >1,0 0,1-0,05 Not: (8) C, D, E ve F'deki faktörler kaba tahminlerdir. Eğer drenaja yönelik önlemler alınırsa, J w artar. (9) Buz oluşumundan kaynaklanabilecek özel sorunlar dikkate alınmamıştır. 50

Çizelge 4.12. Q sınıflandırma sisteminde kullanılan gerilme azaltma faktörü değerleri (Barton vd., 1974 ve Barton, 2000) Gerilme Azaltma Faktörü (SRF) σ ci /σ 1 σ θ /σ ci Puan (a) Tünel açılırken kaya kütlesinin gevşemesine neden olabilecek kazıyı kesen zayıf zonlar A. Kil veya kimyasal olarak ayrışmış kaya içeren zayıflık zonları, çok gevşek çevre kayacı (herhangi bir derinlikte) 10 B. Kil veya kimyasal olarak ayrışmış kaya içeren tek bir zayıf zon (kazı derinliği 50 m) 5 C. Kil veya kimyasal olarak ayrışmış kaya içeren tek bir zayıf zon (kazı derinliği > 50 m) 2,5 D. Kil içermeyen dayanıklı kayada birden fazla makaslama zonu, gevşek çevre kayacı (herhangi bir derinlikte) 7,5 E. Kil içermeyen dayanıklı kayada tek bir makaslama zonu (kazı derinliği 50 m) 5 F. Kil içermeyen dayanıklı kayada tek bir makaslama zonu (kazı derinliği > 50 m) 2,5 G. Gevşek ve açık eklemler, ileri derecede eklemli küp şeker görünümlü (herhangi bir derinlikte) 5 (b) Dayanıklı kaya, kaya gerilmesi sorunları H. Düşük gerilme, yüzeye yakın açık eklemler >200 <0,01 2,5 J. Orta derecede gerilme, uygun gerilme koşulları 200 10 0,01 0,3 1 K. Yüksek gerilme, çok sıkı yapı, genellikle duraylı, yan duvarlar açısından uygun olmayabilir 10 5 0,3 0,4 0,5 2 L. Masif kayada 1 saatlik bir süre sonrasında orta derecede dilimlenme 5 3 0,5 0,65 5 50 M. Masif kayada birkaç dakika sonra dilimlenme ve kaya patlaması 3 2 0,65 1 50 200 N. Masif kayada aşırı kaya patlaması ve ani dinamik deformasyon <2 >1 200 400 Not (11): Oldukça aniztrop bakir gerilme alanı (ölçülebilirse) 5 σ 1 /σ 3 10 koşulunda σ c 0,75 σ c ye, σ 1 /σ 3 >10 ise 0,5σ c ye düşürülür. Burada σ c ; tek eksenli basınç dayanımı, σ 1 ve σ 3 en büyük ve en küçük asal gerilmeler, σ θ en büyük teğetsel gerilmedir (elastik kuramdan tahmin edilen). Not (12): Tavan yüksekliğinin genişliğinden az olduğu durumlarla ilgili birkaç vaka kaydı mevcuttur. Bu gibi durumlar için SRF nin 2,5 tan 5 e arttırılması önerilir (H maddesine bakınız). (c) Sıkışan kaya: Yüksek kaya basıncının etkisiyle düşük dayanımlı kayada plastik akma O. Az sıkıştıran kaya basıncı 1 5 5 10 P. Aşırı sıkıştırıcı kaya basıncı >5 10 20 Not (13): Sıkışan kaya vakaları H>Q 1/3 derinlik koşulunda meydana gelebilir (Singh, 1993). Kaya kütlesinin sıkışma dayanımı q=0,7γq 1/3 (MPa) eşitliğinden tahmin edilebilir. Burada γ kayanın birim hacim ağırlığıdır. (kn/m 3 ) (Singh, 1993) (d) Şişen kaya: Suyun varlığına bağlı olarak kimyasal şişme etkinliği R. Düşük şişme basıncı 5 10 S. Çok yüksek şişme basıncı 10 15 Q değeri ile ilgili olarak yeratı açıklıklarının duyarlılığı ve destek gereksinimleri açısından Barton vd. (1974) Eşdeğer boyut, D e adını verdikleri bir parametreyi de tanımlamışlardır. Bu parametre aşağıda verilen ifadeden hesaplanmaktadır. ü (4.3) 51

Yukarıdaki eşitlikteki ESR değeri yeraltı açıklığının duraylı kılınabilmesi için yerleştirilen destek sistemi üzerinde etkisi olan bir tür güvenlik katsayısıdır. Yeraltı kazısının türüne ve amacma göre ESR değerleri ilk kez Barton vd. (1974) tarafından önerilmiş, ancak daha sonra Barton ve Grimstad (1994) bazı değişiklikler yaparak ESR değerlerini güncelleştirmişlerdir. ESR için günümüzde bu son değişiklikler dikkate alınmaktadır. Orijinal ve güncelleştirilmiş ESR değerleri Çizelge 4.13 te karşılaştırılmalı olarak verilmiştir. Çizelge 4.13. Farklı yeraltı kazısı türleri için orijinal (Barton vd., 1974) ve güncellenmiş (Barton ve Grimstad, 1994) ESR değerleri. KAZI TİPİ Orijinal ESR Güncellenmiş ESR A. Kısa süreli (geçici) maden kazıları vd. 3-5 2-5 B. Uzun süreli (kalıcı) maden kazılan, su tünelleri, büyük kazılar için açılan pilot tüneller, geniş yeraltı kazılan C. Geniş yeraltı depolama odaları, su arıtma tesisleri, küçük karayolu ve demiryolu tünelleri, yaklaşım tünelleri D. Enerji santralleri, büyük (ana) karayolu ve demiryolu tünelleri, sivil savunma sığınaktarı, tünel girişleri ve yeraltında birbirini kesen açıklıkların kesişme bölgeleri E. Yeraltı nükleer enerji santralleri, demiryolu istasyonları, spor ve kamu tesisleri, fabrikalar, gaz nakil tünelleri 1.6 1.6-2.0 1.3 1.2-1.3 1 0.9-1.1 0.8 0.5-0.8 Q sisteminin parametreleri için Çizelge 4.8 den belirlenen değerler kullanılarak eşitlik 4.1'ten hesaplanan Q değerleri 0.001 ile 1000 arasında değişmektedir. Q sistemi, bu değerlere bağlı olarak, olağanüstü iyi kategorisinden olağanüstü zayıf kaya kategorisine doğru değişen dokuz farklı kaya kütlesi sınıfına sahiptir. Q sistemiyle ilgili kaya kütlesi sınıfları Q ile D e arasındaki ilişki Şekil 4.1. de verilmiştir. 52

Şekil 4.1. Q ve eşdeğer boyut arasındaki ilişki (Barton vd., 1974) 4.4. Tünel Açma Makinesi (TBM) Performans Analizi Tünel projelerinde, inşaat yöntemi ve TBM tipi seçiminde planlama gerektiğinden belli bir kaya kütlesinde TBM performansının tahmini uzun süredir araştırma konusu olmuştur (Gong ve Zhao, 2009). Bunun en büyük nedeni makine verimliliği ile ilgili tahminin doğruya yaklaşmasının maliyet risklerini azaltacağıdır (Yağız, 2008). TBM in 1950 li yıllarda ilk başarılı kullanımından sonra geçtiğimiz 30 yıllık süreçte çok sayıda TBM performans modeli önerilmiştir. Bu modeller ampirik ve yarı deneysel modellere dayanmaktadır (Yağız ve Gökçeoğlu, 2010). TBM performans analizi yöntemlerinin temel amacı günlük (AR) ve anlık ilerleme (PR) hızlarının hesaplanmasıdır (Poşluk vd., 2011a). Öncelikle penetrasyon testleri ya da tam ölçekli laboratuvar kesme testleri kullanılarak geliştirilen teorik modeller kesiciye dayalı kesme kuvvetleri, kesme geometrisi vb. kesin bir tahmin sağlamaktadır (Hamidi vd., 2010). Laboratuvar testleri kayacın parçalanma ve kayaların kuvvet penatrasyon ilişkisini açıklamak için yeterli olsa da bu testlerin temel eksikliği TBM kesici disklerinin gerçekte karşılaştıkları kaya kütlesini temsil 53

etmemeleridir. Ayrıca bu tür test ekipmanları dünyadaki tüm araştırma merkezlerinde bulunmayabilmektedir. Bu gibi durumlarda TBM performansı ampirik formüllerle tahmin edilmeye çalışılmaktadır. Ampirik modeller, taze kayanın tek eksenli basınç dayanımı kullanılarak geliştirilmiştir. Bu dayanım parametrelerinin yerine, kırılma tokluğu, schmit çekici, taber aşınma vb. parametreleri de kullanılabilmektedir. Bununla birlikte son geliştirilen ampirik modellerle birlikte makine performansını tahmin etmek için makine parametreleri ile birlikte birkaç kaya ve kaya kütlesi parametresi de dikkate alınmaktadır (Hamidi vd., 2010). Ampirik olarak geliştirilen bu tahmini modeller, çeşitli zemin şartlarında TBM performansını tarihsel veriler değerlendirilerek oluşturulmuştur. Ampirik modellerin bir diğeri de kaya kütle sınıflama sistemleri ile TBM performansını ilişkilendirmeye çalışan gruptur (Hamidi vd., 2010). Bu amaçla günümüzde RMR, Q, ve GSI, RMI sınıflama sistemlerinden faydalanılmaktadır. En çok kullanılan sistemler ise RMR TBM ve Q TBM sistemleridir. Çizelge 4.14 de günümüze kadar geçen sürede geliştirilen TBM performansını belirlemeye yönelik yapılan kaya kütle sınıflama sistemleri sunulmuştur. Çizelge 4.14. Kaya kütle sınıflamalarına göre TBM performans modelleri (Hamidi vd., 2010) Korelasyonlar (TBM performans tahmini) Referanslar PR= -0.0059RSR+1,59 (Cassinelli vd., 1982) PR= σ θ -0.437-0.047RSR+3.15 (Innaurato vd., 1991) (Barton, 2000) (Ribacchi ve Lembo- Fazio, 2005) ARA = 0.422 RME 07-11,61 (Bieniawski vd., 2007) FPI = 0.222BRMR + 2.755 (Hassanpour vd., 2009) FPI = 9.273e 0.008GSI (Hassanpour vd., 2009) FPI = 11.718Q 0.098 (Hassanpour vd., 2009) PR=Anlık ilerleme; σ c Kaya malzemesinin tek eksenli basınç dayanımı, SP=Spesifik ilerleme, σ cm= Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı, ARA = Ortalama ilerleme hızı, FPI = Alan penatrasyon indeksi, J n, J r, J a, J w ve SRF = Q sistem değişkenleri SIGMA = Kaya kütle dayanımı, F = Her bir kesiciye gelen itme kuvveti, CLI = Kesici ömrü, q = Kuvars yüzdesi, σ θ = Biaksial gerilme 54

4.4.1 Q TBM Yöntemi 1972-1973 yılları arasında Barton ve arkadaşları tarafından önerilen Q sisteminin TBM performansı için geliştirilen versiyonudur. Q TBM sistemi Barton (2000) tarafından toplam uzunluğu 1000 kilometreyi bulan ve TBM ile açılan 145 tünelin analizi sonucu ortaya konulmuştur (Poşluk vd., 2011a). Bu sistemin temel amacı kaya kütle sınıflama sistemi olarak kullanılan Q sisteminden yararlanarak TBM için anlık (PR-penetration rate) ve günlük (AR-advanced rate) ilerleme hızını hesaplamaktır (Poşluk vd., 2011a). Anlık (PR) ve günlük (AR) ilerleme hızı hesaplamaları için Barton (2000) tarafından önerilen formüller: PR (Anlık İlerleme)= m/saat (4.4) AR (Günlük İlerleme)= xt m m/saat (4.5) Bu eşitlikte T süre olup, (4.6) Eşitliğinden hesaplanır. Bu eşitlikte L tünelin bahsedilen kesimdeki uzunluğunu ifade etmektedir. m ise aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü olup aşağıdaki eşitlikten hesaplanmaktadır. (4.7) Burada, m 1 aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü başlangıç değeri olup, Şekil 4.2. den yaralanılarak bulunur, D TBM kazı çapıdır, n ise kayacın porozite değerini göstermektedir (Barton, 2000). 55

Şekil 4.2. Aşınmadan dolayı ilerleme azaltma faktörü başlangıç değerini (m) Q değerinin fonksiyonu olarak gösteren tablo (Barton, 2000) Günlük ve anlık ilerleme hızı hesaplamaları için önerilen formüllerde kullanılan Q TBM değeri aşağıdaki eşitlikle hesaplanmaktadır; (5.8) Burada; RQD o = Yönlendirilmiş RQD J n, J r, J a, J w ve SRF = Q sistem değişkenleri SIGMA = Kaya kütle dayanımı F = Herbir kesiciye gelen itme kuvveti CLI = Kesici ömrü q = Kuvars yüzdesi σ θ = Biaksial gerilme değerlerini göstermektedir. 4.4.1.1 Yönlendirilmiş kaya kalite indisi (RQD o ) Kaya kalite indisi (RMR) Deere (1964) tarafından önerilmiş olup, sondaj ile bir ilerleme aralığında doğal süreksizliklerle ayrılmış, boyu 10 cm ve daha büyük olan ve silindirik şeklini koruyan kaya türü karot parçalarının toplam uzunluğunun ilerleme aralığının uzunluğuna oranını yüzde olarak ifade eden kantitatif bir indekstir (Ulusay ve Sönmez, 2002). 56

Q TBM hesabında kullanılan RQD o ise düşey sondajlardan elde edilen RQD değerinin sondajın tünel ekseni yönünde açılması durumundaki tahmini esasına dayanan bir parametredir (Poşluk vd., 2011a). 4.4.1.2 Q sistem değişkenleri (J n, J r, J a, J w ve SRF) Barton vd. (1974), tarafından önerilen Q hesaplamalarında kullanılan ve 1993 yılında Grimstad ve Barton (1993) tarafından modifiye edilen parametrelerdir. Jn: Eklem takrım sayısı, (Jr) Eklem pürüzlülük sayısı, Ja: Eklem alterasyon sayısı, Jw: Eklem suyu indirgeme sayısı, SRF: Gerilme indirgeme faktörüdür. Bu parametreler ve Q hesabında kullanılan değerler Bölüm 4.3 de anlatılmıştır. 4.4.1.3 SIGMA (Kaya kütle dayanımı) Sing (1993) tarafından önerilen kavram, kaya kütle dayanımını belirtmek için kullanılmaktadır. Başka bir değişle kaya dayanımını, tek eksenli basınç dayanımı (σ c ), nokta yükü (I 50 ) ve tünel profili ile tünel ekseni arasındaki açıyı (β) dikkate alınarak açıklanmaya çalışan parametredir (Maidl, 2008). SIGMA = SIGMA cm = β>60 o (4.9) SIGMA = SIGMA tm = β>30 o (4.10) 4.4.1.4 Her bir kesiciye gelen itme kuvveti (F) Barton (2000) a göre TBM performansına etki eden bir diğer parametrede kullanılan TBM de bulunan kesici disklerin her birinin kazı yüzeyine uyguladığı kuvvettir. Bu kuvvet kazı performansını doğrudan etkilemektedir. TBM i üreten firma tarafından makine özellikleri olarak verilmektedir. 57

4.4.1.5 Kesici ömrü (CLI) TBM ilerledikçe kesici kafada bulunan kesici diskler aşınmakta ve periyodik olarak değiştirilmektedir (Şekil 4.3.). Bu durum genellikle seçilen kesicilere ve masif kayanın fiziksel ve mekanik özelliklerine bağlıdır. Örneğin kayacın tek eksenli basınç dayanımı, porozitesi, kuvars yüzdesi, tabakalanması, foliasyonu hatta kayacın kökeni önem teşkil etmektedir. Bu sebeple kesici disklerin değiştirilmesi, vardiya değişimi, makine bakımı, vs. gibi farklı nedenlerden dolayı doğan duraklamalara utilization (U) denmektedir ve klasik TBM kazılarında günlik ilerlemenin bir fonksiyonudur ve aşağıdaki şekilde hesaplanır; AR=UxPR (4.11) Fakat Nelson (1993) PR (penetration rate) ve U (Utilization) nı ayrı ayrı kaya kütle sınıflaması ile ilişkilendirmiştir. Bu çalışmanın hazırlanması aşamalarında Q TBM sisteminde Nelson (1993) un önerisi benimsenmiş ve U için daha ayrıntılı bir çalışma yapılarak kesici ömrü bir fonksiyon olarak Q TBM formülasyonunun içerisine dahil edilmiştir. Bu nedenle Barton (2000) Q TBM hesaplamalarında kesici ömrü tahmini için Movinkel ve Johannessen (1986) nın ayrıntılı çalışmalar sonucunda belli başlı kaya türleri için önerdikleri abaktan yaralanmıştır (Şekil 4.3.). Şekil 4.3. Kesici ömrü tahmin abağı (Movinkel ve Johannessen, 1986). 58

4.4.1.6 Kuvars yüzdesi (q) Kuvars, feldespatlardan sonra yeryüzünün kıtasal kabuğunda en çok rastlanan ikinci mineralidir. Mohs sertlik skalasına göre sertilik derecesi 7 dir. Oldukça sert olan bu mineralin kıtasal kabukta da fazla miktarda bulunması kesici tasarımında ve kesici ömrünü etkilemeleri açısından önemli bir etmendir. Bu sebeple Q TBM hesaplamalarında bir parametre olarak konulması oldukça doğaldır. Kuvars yüzdesinin en doğru tahmini petrografik analizler ile olsa da hemen her projede bu analizler yapılamamaktadır. Bu nedenle tünel güzergahı üzerinde çeşitli araştırmacılar tarafından daha önceden yapılmış çalışmalar irdelenmeli ve/veya yine kabul görmüş araştırmacıların kayaç türlerinde kuvars yüzdesinin tayininne yönelik yapmış oldukları genellemeler dikkate alınabilir. 4.4.1.7 Biaksial gerilme (σ θ ) Farklı şiddetteki iki asal normal gerilmenin (σ 1> σ 3 ) etkisinde kalan cisimde biaksial gerilme durumu oluşur (Yüzer ve Vardar, 1986). Bu gerilme durumunuda Mohr diyagramında bir çember ile göstermek mümkündür. Bu dairenin denklemi tek eksenli gerilme durumuna benzer şekildedir (Yüzer ve Vardar, 1986) (Şekil 4.4). Şekil 4.4. İki eksenli gerilme durumu. 59